Эта статья является второй частью серии материалов о фотодиодах, устройствах, которые создают электрические сигналы, когда встречаются с окружающим светом, лазерными сигналами или светом, сфокусированным объективом камеры. В первой статье мы обсудили природу света и pn-переходов. Теперь рассмотрим физическую работу светочувствительных pn-переходов.
Интересные вещи происходят, когда кусок кремния n-типа находится в контакте с куском кремния p-типа: диффузионный ток течет со стороны p на сторону n, образуется область обеднения, и дрейфовый ток течет от стороны n к стороне p.
Дырки являются основными носителями на стороне p, а свободные электроны – основными носителями на стороне n. Эти носители подвержены диффузии, т. е. тенденции частиц переходить от более высокой концентрации к более низкой. Дырки диффундируют через переход от p к n, и электроны также диффундируют через переход от n к p. Эти движения носителей заряда представляют собой форму электрического тока, мы называем его диффузионным током. Диффузионный ток описывается как протекающий от стороны p к стороне n, потому что обычный ток течет в том же направлении, что и положительные носители заряда, даже если положительные носители заряда фактически не присутствуют в цепи.
В этом случае дырки находятся в движении, поэтому на самом деле у нас есть положительные носители заряда, и, следовательно, обычный ток более когерентен с научной точки зрения, чем в схемах, не содержащих диодов или транзисторов.
У нас есть свободные электроны на стороне n и дырки на стороне p. Когда свободные электроны диффундируют через переход, они встречаются с дырками на другой стороне. Электроны, так сказать, «падают» в дырки, и рекомбинация происходит вблизи перехода. Это приводит к образованию области общего отрицательного заряда рядом с переходом на стороне p, поскольку рекомбинация устраняет дырки, которые ранее уравновешивали связанные отрицательные заряды в полупроводнике p-типа. То же самое происходит с другой стороны, в полупроводнике n-типа, за исключением того, что там связанные заряды положительны.
Мы называем это обедненной областью, потому что участки общего положительного и отрицательного заряда по обе стороны от перехода являются результатом истощения основных носителей заряда, что, в свою очередь, является результатом диффузионного тока и рекомбинации.
Допирование – не единственный источник мобильных носителей заряда в полупроводнике. Тепловая энергия вызывает случайную генерацию электронно-дырочных пар, что приводит к наличию неосновных носителей, то есть электронов на p-стороне и дырок на n-стороне. Если дырка на стороне n или свободный электрон на стороне p пробивается в обедненную область, электрическое поле обедненной области будет усиливать движение к другой стороне перехода. Это дрейфовый ток: неосновные носители, движущиеся через переход под действием электрического поля. Он течет из стороны n в сторону p.
Так непрерывно ли протекает ток через диод, даже если он полностью отключен от источников питания и других компонентов? Конечно нет. Р-n переход естественным образом поддерживает равновесие между диффузионным и дрейфовым токами. Они текут в противоположных направлениях с одинаковой величиной, поэтому чистый ток равен нулю.
Когда переход подвергается воздействию света, у нас появляется дополнительный источник мобильных носителей заряда, а именно энергия, доставляемая входящими фотонами. Если фотон генерирует пару электрон-дырка внутри или около обедненной области, электрическое поле обедненной области может подтолкнуть мобильные носители заряда через переход. Это то, что мы называем фототоком: ток, возникающий в результате движения индуцированных светом носителей заряда.
Фототок – это обратный ток. Подобно дрейфующему току, он течет из стороны n в сторону p, и обратите внимание, как он пересекает переход под действием электрического поля обедненной области, точно так же, как это делает дрейфовый ток.
Как было указано выше, электронно-дырочные пары, генерируемые светом, вносят вклад в фототок, только если они находятся в области обеднения или рядом с ней. Это говорит о том, что мы можем сделать фотодиод более чувствительным, увеличив ширину обедненной области: с более широкой обедненной областью та же самая интенсивность падающего света будет генерировать больше фототока, поскольку большее количество генерируемых светом носителей заряда находится в пределах досягаемости электрического поля, которое толкает их через соединение.
Есть еще один способ, которым обедненная область влияет на работу фотодиода. Область истощения функционирует как конденсатор внутри диода, а в фотодиоде эта емкость ограничивает способность устройства реагировать на быстрые изменения освещенности. Таким образом, область обеднения связана с двумя важными соображениями при проектировании систем на основе фотодиодов.
Таким образом, диффузионный ток в pn переходе течет в прямом направлении и создает область обеднения. Электрическое поле в этой области истощения допускает выравнивающий ток, называемый дрейфовым током, который течет в обратном направлении. Базовые знания дрейфового тока и области истощения помогают нам понять важные аспекты реализации фотодиодов.
© digitrode.ru