Физические основы работы фотодиода

2.1. ВАХ p‑n перехода в темноте

При контакте двух полупроводников с разными типами проводимости вследствие разности термодинамических работ выхода произойдет перераспределение свободных зарядов и возникнет область пространственного заряда Q₁ и Q₂. При этом положительный заряд Q₁ образован нескомпенсированными донорами, а отрицательный заряд Q₂ образован нескомпенсированными акцепторами. Объемный заряд создает электрическое поле E(x), максимальное на границе (E_max) и линейно спадающее вглубь области пространственного заряда, как видно из уравнения (1)

(1)

Рис. 3. Область пространственного заряда в p-n переходе

Наличие электрического поля Е приведет к тому, что ход потенциала будет иметь нелинейный вид. Наклон графика φ_к(x) равен напряженности поля Е(x). Дно зоны проводимости E_c(x) и потолок валентной зоны E_v(x) будут повторять ход потенциала φ(x) (рис. 4). В состоянии равновесия уровень Ферми F должен быть одним и тем же во всей системе. Высота потенциального барьера, образованного на границе двух полупроводников будет равна разности термодинамических работ выхода:

Рис. 4. Зонная диаграмма контакта полупроводников p‑ и n‑типов в равновесии

В условиях термодинамического равновесия в p-n переходе существуют четыре компоненты тока. Две из них – дрейфовые, две – диффузионные, каждая из которых образована неосновными и основными носителями заряда.

Рис. 5. Токи в p‑n переходе. Стрелки указывают движение заряженных частиц

Таким образом, в состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными (j_pD, j_nD) и дрейфовыми (j_nE, j_pE) токами электронов и дырок, должен быть равен нулю:

. (2)

При приложении напряжения V_G равновесие нарушается и ВАХ диода будет иметь вид:

(3)

Плотность тока насыщения J_s равна сумме дрейфовых электронной j_nE и дырочной j_pE компонент тока

. (4)

Обратный ток (при V_G < 0) в p‑n переходе дрейфовый . Физический смысл прост – в токе участвуют все носители, которые генерируются в объеме цилиндра с S = 1 и длиной L_p и вытекающие из этого цилиндра со скоростью, равной скорости диффузии .

Таким образом ВАХ диода на основе p-n перехода с учетом (3) имеет следующий вид:

Рис. 6. ВАХ диода на основе p-n перехода

В несимметричных p⁺‑n переходах течет только один дырочный (диффузионный и дрейфовый) ток, а в n⁺-p переходах – только электронный ток.