光敏pn結(jié)的物理操作

硅 pn 結(jié)

當(dāng)一塊 n 型硅與一塊 p 型硅接觸時(shí)會(huì)發(fā)生有趣的事情：擴(kuò)散電流從 p 側(cè)流到 n 側(cè)，形成耗盡區(qū)，漂移電流從 n 側(cè)流到p 側(cè)。

擴(kuò)散電流

空穴是 p 側(cè)的多數(shù)載流子，而自由電子是 n 側(cè)的多數(shù)載流子。這些載流子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，即粒子從較高濃度移動(dòng)到較低濃度的趨勢(shì)。空穴擴(kuò)散穿過結(jié)，從 p 到 n，電子也擴(kuò)散穿過結(jié)，從 n 到 p。這些載流子運(yùn)動(dòng)是電流的一種形式；我們稱之為擴(kuò)散電流。

擴(kuò)散電流被描述為從 p 側(cè)流向 n 側(cè)，因?yàn)槌Ｒ?guī)電流的流動(dòng)方向與正電荷載流子相同，即使正電荷載流子實(shí)際上并不存在于電路中。

在這種情況下，空穴在移動(dòng)，所以我們實(shí)際上有正電荷載流子，因此傳統(tǒng)電流在科學(xué)上比不包含二極管或晶體管的電路更連貫。

耗盡區(qū)

我們?cè)?n 側(cè)有自由電子，在 p 側(cè)有空穴。當(dāng)自由電子擴(kuò)散穿過結(jié)時(shí)，它們會(huì)在另一側(cè)與空穴相遇。可以說，電子“落入”空穴中，并在結(jié)附近發(fā)生復(fù)合。

這會(huì)導(dǎo)致 p 側(cè)結(jié)附近出現(xiàn)整體負(fù)電荷區(qū)域，因?yàn)閺?fù)合消除了先前平衡 p 型半導(dǎo)體中的束縛負(fù)電荷的空穴。同樣的事情發(fā)生在另一邊，在 n 型半導(dǎo)體中，只是那里的束縛電荷是正的。

我們稱此為耗盡區(qū)，因?yàn)榻Y(jié)兩側(cè)的總正電荷和負(fù)電荷部分是由多數(shù)電荷載流子的耗盡引起的，而這又是擴(kuò)散電流和復(fù)合的結(jié)果。

漂移電流

摻雜并不是半導(dǎo)體中移動(dòng)電荷載流子的來源。熱能導(dǎo)致電子-空穴對(duì)的隨機(jī)產(chǎn)生，導(dǎo)致少數(shù)載流子的存在，即電子在p側(cè)，空穴在n側(cè)。

如果 n 側(cè)的空穴或 p 側(cè)的自由電子進(jìn)入耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的電場(chǎng)將加強(qiáng)向結(jié)另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)。這是漂移電流：少數(shù)載流子在電場(chǎng)的影響下穿過結(jié)。它從 n 側(cè)流向 p 側(cè)。

那么電流是否持續(xù)流過二極管，即使它完全沒有與電源和其他組件連接？當(dāng)然不是。pn 結(jié)自然地保持?jǐn)U散電流和漂移電流之間的平衡。它們以相同的大小以相反的方向流動(dòng)，因此凈電流為零。

光敏 pn 結(jié)

當(dāng)一個(gè)結(jié)暴露在光線下時(shí)，我們有一個(gè)額外的移動(dòng)電荷載流子來源，即入射光子傳遞的能量。如果光子在耗盡區(qū)內(nèi)或附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)，耗盡區(qū)的電場(chǎng)可以推動(dòng)移動(dòng)電荷載流子穿過結(jié)。

這就是我們所說的光電流：光感應(yīng)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流。

光電流是反向電流。像漂移電流一樣，它從n側(cè)流向p側(cè)，注意它是如何在耗盡區(qū)電場(chǎng)的影響下穿過結(jié)的，就像漂移電流一樣。當(dāng)我們討論暗電流時(shí)，我們將在本介紹的后面回到漂移電流。

光電二極管中的耗盡區(qū)

如上所述，光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)只有在耗盡區(qū)內(nèi)或附近時(shí)才會(huì)產(chǎn)生光電流。這表明我們可以通過增加耗盡區(qū)的寬度來使光電二極管更靈敏：耗盡區(qū)越寬，相同強(qiáng)度的入射光將產(chǎn)生更多的光電流，因?yàn)楦嗟墓馍姾奢d流子可以到達(dá)推動(dòng)它們穿過結(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)。

耗盡區(qū)還有另一種影響光電二極管操作的方式。耗盡區(qū)的功能類似于二極管內(nèi)的電容器，而在光電二極管中，該電容限制了器件響應(yīng)照度快速變化的能力。

因此，耗盡區(qū)與基于光電二極管的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要考慮因素有關(guān)。