Фотогальванический режим работы

Фотогальванический режим – это режим работы фотодиода без внешнего источника напряжения, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Фотодиоды в фотогальваническом режиме также называют полупроводниковыми фотоэлементами, а если они имеют большую площадь – солнечными батареями. Включение фотодиода показано на рисунок 76.8, где R – сопротивление нагрузки.

Принцип работы заключается в следующем. Электрическое поле p-n перехода производит разделение неравновесных носителей заряда, генерированных светом. Неосновные носители заряда переносятся полем перехода: электроны из p- в n-область, дырки из n- в p-область и становятся основными. С точки зрения энергетической диаграммы (рисунок 76.2) это означает скатывание электронов с потенциального барьера в n-область и скатывание дырок в p-область. В результате

Свет n p

Рисунок 76.8

n-область заряжается отрицательно, а p-область – положительною между р- и n-областями возникает разность потенциалов – фото ЭДС. Направление возникшего в результате освещения тока через нагрузочное сопротивление показано на рис.76.8.

Переход неосновных носителей заряда не беспределен, так как перейдя, они нейтрализуют часть объемного заряда n-p перехода, понижают высоту потенциального барьера и тем самым напряженность поля на переходе и ухудшают его разделительные свойства.

Фотогальваническому режиму соответствует часть полной ВАЧ фотодиода, изображенной на рисунок 76.9. расположенная в четвертом квадрате. Отдельно вольтамперные характеристики в фотогальваническом режиме различных световых потоках показаны на рис. 76.10.

I I φ=0

U_xx1 U_xx2

U_xx U I_k31 φ₁

I_k3 I_k32 φ_2> φ₁

Рисунок 76.9 Рисунок 76.10

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений U_xx соответствует значениям фото – ЭДС или напряжениям холостого хода (при разомкнутой цепи), точки пересечения с осью токов I_k3 соответствует значениям токов короткого замыкания (R=0).

Световые характеристики в фотогальваническом режиме – в зависимости фото-ЭДС или тока короткого замыкания от светового потока. Они нелинейны (рисунок 76.11), что связанным рассмотренным выше процессом уменьшения высоты потенциалов при переходе электронов n область. Максимальное значение фото-ЭДС приближается к величине контактной разности потенциалов. φ_k

Спектральная характеристика фотодиода в фотогальваническом режиме – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны (или частоты) падающего света. На рисунке 76.12. показана зависимость I_k3 от λ для кремниевого фотодиода. Спад со стороны больших λ – красная граница фотоэффекта. Спад со стороны коротких М связан с тем, что фотоны с энергией, заметно превышающей ширину запрещенной зоны, активно поглощаются в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда высока.

U_xx I_k3 I_k3

Ф Ф 0 0,5 1,0

длина волны, мкм

Рисунок 76.11 Рисунок 76.12

Коэффициент полезного действия – это отношение максимальной мощности которую можно получит на нагрузочном сопротивлении к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотодиода. КПД различных фотодиодов, изготовленных из кремния, арсенида галлия других полупроводников, достигает 12-20% невысокая величина КПД связана с фотоэлектрический неактивным поглощением света, его отражением от поверхности, рекомбинацией неравновесных электронов и дырок до разделения их полем, потерями мощности при прохождении тока через объем фотодиода и другими причинами.

Лабораторная установка и метод измерения.В работе иследуется селеновый фотодиод в фотогальвани – ческом режиме. Схеме установки предназначена для снятия вольт – амперных характеристик и включает в себя следующие элементы:

Фотодиод BL представляющий собой систему, состоящую из металлической подложки, на одной стороне которой нанесен слой селена толщиной около 0,1 мм с замирающим слоем, покрытый полупрозрачной электродов:

Выпрямитель UZ для питания лампы накаливания, расположенный внутри стенда;

Лампа накаливания EL, расположенная вместе с фотодиодом с светонепроницаемом корпусе;

Набор сопротивлений R1, R10 и галетный переключатель SA3, позволяющие изменять сопротивление нагрузки ступенчатым образом для регулирования тока нагрузки;

Цифровой вольтметр PmV для измерения напряжения на фотодиоде, расположенный на стенде, с жидкокристаллическим индикатором, выходящим в окошко стенда.

Входные сопротивление цифрового вольтметра Щ43I3 на исследуемом пределе измерений 500мВ составляет 100Мом, что на много порядков превосходит сопротивление фотодиода сопротивление нагрузки, поэтому ошибка в измерений фото ЭДС или напряжения на фотодиоде, связанная с протеканием тока через вольтметр, ничтожна и в пределах точности измерений отсутствует.

Световой поток, падающий, на фоточувствительные элемент, регулируется изменением расстояния между ним и лампой накаливания.