-дәріс. Фотоэлектрлік құбылыстар

15-дәріс. Фотоэлектрлік құбылыстар

Дәрістің мақсаты:

• 
  біртекті жартылай өткізгіштің электр кедергісінің өзгерісін түсіндіру;
  
• 
  фотодиод пен фототранзистордың вольт-амперлік сипаттамаларын түсіндіру.
  

6. Оптикалық генерация ескерілген тасымалдау құбылысы. Фотоөткізгіштік

Жартылай өткізгіштерді,
h ₀  E
теңдігімен анықталатын (мұндағы

^{ΔЕ - жартылай өткізгіштің тыйым салу аймағының ені)}  ₀
- қызыл

шекарасынан асатын жиілігі  болатын жарықпен жарықтандырғанда олардың электр өткізгіштігін арттыратын тепе-теңдіксіз артық ток тасымалдаушылардың пайда болуымен түсіндірілетін ішкі фотоэффект құбылысы бақыланады. Фотокедергілердің негізгі жұмыс істеу принципі осы құбылысқа негізделген.
Жартылай өткізгіштің бастапқы  ₀ - электрөткізгіштігі мына өрнекпен
анықталады:

0

p

0
  q n
u_n  p₀ u 
, (8.1)

мұндағы n_о және р_{о -} тепе-теңдік күйдегі қозғалыстағы заряд тасушылар концентрациясы;
q - электрон заряды;

^u_n ^және u_p
- электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштықтары.

Жартылай өткізгішті жарықтандырғанда немесе басқа да әсерлердің
нәтижесінде қозғалыстағы заряд тасушылар концентрациясы р және n

шамаларға артады. Сонда тасушылар концентрациялары
n  n₀  n
және

p  p₀  p ^{, ал электрөткізгіштік}



 qn

 nu_n

 p₀

 pu_p 

(8.2)

0
түрінде жазылады.
Жарықталыну бар ( ) және жарықталыну жоқ кездегі ( ₀) өткізгіштер
айырмасына тең   химиялық таза (меншікті) жартылай өткізгіштердегі

меншікті фотоөткізгіштігін анықтайды

    ₀

 qnu  pu .
(8.3)

n p
Затта қоспа болған жағдайда жарықтың әсерінен электрондар валенттік аймақтан қоспа деңгейіне ауысу мүмкін немесе қоспа деңгейінен өткізгіштік аймаққа өтуі мүмкін. Мұндай жартылай өткізгіштерде қоспалы фотоөткізгіштік байқалады.
Фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамасына арналған өрнек:


^ D n


q


D p ^ ^eU  _qI


I  q^
n p _ p
_L L
^{n }_ kT
_
 1^ 
⁰  I
l s ^к

• 
  I_ф
  

, (8.4)

_{ R} p
 ^{S
 l} ^
p _
^ 1  ^p
D_p

мұндағы s – беттік рекомбинация жылдамдығы;

D_n ^{, Dp - электрондар мен кемтіктердің сәйкес диффузия}
коэффициенттері;
^{l p} - қабат қалыңдығы.
(8.4) –тегі бірінші қосылғыш қараңғы токты, екінші қосылғыш беттік рекомбинация жоқ кездегі фототокты көрсетеді.

7. Фотодиод және оның сипаттамалары. Фототранзистор

Фотодиод жұмыс істеу принципі жартылай өткізгіштерді жарықтандырғанда пайда болатын фотогальваникалық эффектіге негізделген.

Мысалы р-n ауысуды монохрамат жарықпен жарықтандырғанда жарық квантын жұтып, тепе-теңдіксіз фотоэлектрондар және фотокемтіктер түрленеді. Электр өрісінің әсерінен бұл фототасушылар өтпелі ығысады: электрондар n-аймаққа, ал кемтіктер р-аймаққа, яғни өтпелден тепе-теңдіксіз тасушылардың дрейфтік тогы өтеді.
Егер тізбекті ажыратсақ n-аймақтағы электрондар, р-аймақтағы кемтіктер концентрациясы артады, қоспаның атомдарының көлемдік заряды

фотодиодтың бос жүріс кернеуі
^U бж
деп аталатын фото ЭҚК шамасындай

болады.
^U бж
шамасы өтпелдің түйісу кернеуінен арта алмайды, бұл кезде

өтпелдегі фототасушылар бөлінуі тоқтайды. Егер р және n аймақтарды

сыртқы өткізгішпен жалғасақ, онда
U _бж 0
және өткізгіште тепе-теңдіксіз

тасушылардан құралған, қысқа тұйықталу тогы жүреді.

Егер р және n аймақтарды
R_ж  0
жүктеме кедергісіне жалғасақ, одан

жүктеме тогы өтеді. Жүктемеден
R_ж I _жU _ж
электрлік қуаты бөлінеді. Мұндай

жұмыс тәртібі фотогальваникалық деп аталады және күн батерея элементтерінде қолданады.
Егер фотодиод және жүктеме кедергісіне, р-n ауысудың кері ығысуын
қамтамасыз ететін, қоректендіру көзін тізбектей жалғаса, фотодиодтың мұндай жұмыс тәртібі фотодиодты деп аталады.
Фотодиодтың Ф=const кездегі I  f ^Ф^ вольт-амперлік сипаттамалары

1. 
   суретте келтірілген. Фотогальваникалық тәртіптегі жарықтық сипаттамасы
   

қысқаша токтың I_ҚТ = f ^Ф^ жарық ағынына тәуелділігін және бос жүріс
кернеуінің жарық ағынына U_бж  f Ф тәуелділігін айтады (8.2 сурет).

1. 
   сурет-Фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамасы
   

Жарық ағыны артқанда I_ҚТ = f ^Ф^ сызықсыздығы артуы фотодиод

базасының көлемдік кедергісіндегі кернеу түсуімен, ал
U_бж  f Ф

сызықсыздығы - жарық ағыны артқанда потенциалды бөгеттің кемуімен түсіндіріледі.
Фотодиодтың ВАС мен жүктеме резисторының қиылысуы жүктемеден

бөлінетін
R_ж I _жU _ж
электрлік қуаты анықтайды.

тұрақты Ф жарық ағынында немесе тұрақты
E  ^Ф
S
^{жарқырауда} I_Ф

фототоктың ФK - ге берілген U кернеуге байланыстылығын көрсетеді. Бұл (8.6) формуласы бойынша сызықты байланыста болады, яғни Ом заңына бағынады (8.4, а сурет ). Жарықтық сипаттамада ФK - нің тұрақты кернеуінде
I_Ф ^{фототоктың Ф жарық ағынына (немесе Е) байланыстылығы өрнектеледі.}

Ағынның аз мәнінде фототок
I_ф ~
(8.4, б сурет). ФK - нің жарықтық