UD=E-RDI3.2.5. Fotodiody, sluneční články
Máme-li konstruován PN přechod tak, že na něj může dopadat světlo, můžeme takto konstruovanou diodu využít jako fotocitlivý prvek. Abychom si kvalitativně vysvětlili fyzikální princip tohoto efektu, vraťme se k vlastnímu polovodiči. Pokud jej neozařujeme, je excitace elektronů z valenčního do vodivostního pásu způsobena výhradně tepelnou energií; do vodivostního pásu mohou být excitovány elektrony z vysokoenergetického ”chvostu” rozdělovací funkce. Uvažujeme-li ozáření, může excitace elektronu z valenčního do vodivostního pásu proběhnout i tak, že elektron ve valenčním pásu absorbuje foton dopadajícího záření, který mu předá energii dostatečnou k překonání zakázaného pásu. Při ozáření polovodiče zvýšíme tedy jeho vlastní vodivost tím, že zvýšíme koncentraci elektronů ve vodivostním a koncentraci děr ve valenčním pásu. Tomuto jevu se říká vnitřní fotoefekt, neboť elektrony excitované do vodivostního pásu neopouštějí polovodič (na rozdíl od vnějšího fotoefektu, kdy dopadající foton dodá elektronu energii dostatečnou k překonání tzv. výstupní práce a elektron opustí látku a přejde do vakua látku obklopující). Tento efekt je výrazný u polovodičů, jejichž vlastní vodivost je pro značnou šířku zakázaného pásu velmi malá, např. CdS se šířkou zakázaného pásu 2.45 eV. Na vnitřním fotoefektu je založena funkce fotoodporů, které jsou součástí měřičů expozice u řady fotografických přístrojů. Důležité je si uvědomit, že ozářením se zvyšuje vlastní vodivost polovodiče, tedy koncentrace nosičů obou polarit a tedy po přimíchání příměsi se bude ozářením zvyšovat koncentrace minoritních nosičů. Na obrázku 3.24a
UD=E-RDI
obr. 3.24a
obr. 3.24b
je znázorněn nejjednodušší obvod používající tzv. fotodiodu k indikaci intenzity osvětlení. Fotodioda je polovodičová, nejčastěji křemíková, dioda s přechodem PN zapouzdřená tak, aby na přechod mohlo dopadat světlo, má okénko nebo plastickou čočku, která soustřeďuje světlo do oblasti přechodu PN. Dioda je zapojená v závěrném směru s takovým napětím, aby nedošlo k průrazu lavinovým nebo Zenerovým efektem. Není-li tedy přechod PN ozářen, teče diodou jen velmi malý závěrný proud, u křemíkových diod se jedná o proudy v řádu desítek nA. Jedná se o proud tvořený minoritními nosiči, tedy nosiči, které vznikly termickou excitací elektronů z valenčního do vodivostního pásu. Tento proud je přímo úměrný koncentraci minoritních nosičů; tato koncentrace je nižší, než intrinsická koncentrace, vzpomeňte si na vztah p.n=ni2. Ozáříme-li nyní přechod PN, vytvoříme dodatečnou koncentraci minoritních nosičů, které budou přispívat ke zvýšení proudu fotodiodou v závěrném směru - proud fotodiodou se zvýší a zvýšení bude závislé na intenzitě dopadajícího záření. Je-li, tak jako na obrázku 3.24a v serii s fotodiodou zapojen odpor, dojde na něm k úbytku napětí průchodem proudu a tento úbytek můžeme využít ke měření intenzity záření. Charakteristiky fotodiody v závěrném směru při několika intenzitách osvětlení jsou spolu se zatěžovací přímkou znázorněny v pravé části obrázku 3.24b. Typickým příkladem aplikace fotodiody byly čtečky děrné pásky, kde pod každou pozicí možného otvoru v děrné pásce byla umístěna fotodioda, indikující přítomnost otvoru v pásce. Řadu aplikací fotodiody dnes převzaly fototranzistory, o kterých si povíme po probrání tranzistorového efektu.
Nezaměnitelné místo mají speciální fotodiody, kterých se používá ke konverzi energie záření na energii elektrickou. Fyzikální princip funkce nejlépe vysvětlíme, představíme-li si fotodiodu nezapojenou do obvodu. Není-li ozářena, je vytvořena PN přechodem difuzní potenciálová bariéra vysoká tak, aby omezila proud majoritních nosičů na právě takovou velikost, aby proud majoritních nosičů každé polarity přes přechod PN byl právě kompenzován proudem minoritních nosičů stejné polarity přes přechod opačným směrem. Ozáříme-li nyní fotodiodu, zvýšíme koncentraci minoritních nosičů v polovodičích obou typů vodivostí a v důsledku toho stoupne proud minoritních nosičů přes PN přechod. Vzhledem k tomu, že jsme předpokládali diodu nezapojenou do obvodu, musí být celkový proud přes přechod roven nule právě tak jako v případě bez ozáření. To je možné jenom tak, že klesne potenciálová bariéra v blízkosti přechodu PN a umožní tak zvýšení proudu majoritních nosičů přes přechod. Krystal však tak přestává být v rovnováze, fermiho hladina se deformuje, a rozdíl mezi původní velikostí difuzního potenciálu a velikostí této bariéry po ozáření se objeví na svorkách diody jako napětí; na anodě fotodiody bude kladný pól a na katodě záporný pól. Uzavřeme-li nyní elektrický obvod tím, že k fotodiodě připojíme rezistor jako spotřebič, bude obvodem protékat elektrický proud - fotodioda bude fungovat jako sluneční článek. Na obrázku 3.24b je v levé části znázorněna zatěžovací přímka v tomto případě (napětí vnějšího zdroje je rovno nule, zatěžovací přímka vychází z počátku). Je vidět, že dioda jako zdroj má tím nižší diferenciální (vnitřní) odpor, čím vyšší je intenzita ozáření přechodu PN. Sluneční články se proto konstruují tak, viz obrázek 3.25,
obr. 3.25
aby přívody k diodě nestínily přístup záření k PN přechodu. Napětí, které sluneční článek dává, nemůže být, podle právě popsaného principu, vyšší, než je šířka zakázaného pásu; přibližuje se mu jen při extrémně vysokých intenzitách záření, při běžných intenzitách můžeme očekávat napětí okolo 0.7 V na článek. Proud, který můžeme ze slunečního článku odebírat, je přímo závislý na množství minoritních nosičů generovaných ozářením; bude tedy tím větší, čím větší ozářenou plochu bude článek mít. Spojujeme-li tedy články do baterie o vyšším napětí, řadíme je do serie, potřebujeme-li vyšší proud, musíme použít články s větší ozařovanou plochou; paralelní řazení není možné.
Probrali jsme princip a aplikace nejjednodušších polovodičových prvků - diod s přechodem PN. Diody se speciálnějším použitím, tunelové diody, Gunnovy diody, diody s přechodem kov-polovodič neprobírám proto, abych omezil rozsah tohoto učebního textu jen na základní pojmy.
