光敏pn结的物理操作

在本文中，我们将深入研究半导体物理学，以更好地了解光电二极管的工作原理。

本文是光电二极管系列文章的第二部分，光电二极管是在遇到环境光、激光信号或相机镜头聚焦的光时产生电信号的设备。在第一篇文章中，我们讨论了光和 pn 结的性质。现在，我们将回顾光敏 pn 结的物理操作。

在本系列的接下来的几部分中，我们将讨论： 

• 两种光电二极管操作模式：光电导和光伏

• 各种光电二极管技术/半导体的特性

• 光电二极管等效电路

硅pn结

当一块 n 型硅与一块 p 型硅接触时会发生有趣的事情：扩散电流从 p 侧流向 n 侧，形成耗尽区，漂移电流从 n 侧流向p侧。

扩散电流

空穴是 p 侧的多数载流子，自由电子是 n 侧的多数载流子。这些载体易于扩散，即颗粒倾向于从较高浓度移动到较低浓度。空穴通过结扩散，从 p 到 n，电子也通过结扩散，从 n 到 p。这些电荷载流子运动是电流的一种形式。我们称之为扩散电流。

扩散电流被描述为从 p 侧流向 n 侧，因为传统电流与正电荷载流子的流动方向相同，即使电路中实际上不存在正电荷载流子。

在这种情况下，空穴在移动，因此我们实际上有正电荷载体，因此传统电流比不包含二极管或晶体管的电路在科学上更连贯。

耗尽区

我们在 n 侧有自由电子，在 p 侧有空穴。当自由电子扩散穿过结时，它们会与另一侧的空穴相遇。可以说，电子“落入”空穴中，并且在结附近发生复合。

这会导致 p 侧结附近的一个总体负电荷区域，因为复合消除了之前平衡 p 型半导体中束缚负电荷的空穴。同样的事情发生在另一边，在 n 型半导体中，除了在那边，束缚电荷是正的。

我们称其为耗尽区，因为结两侧的总正电荷和负电荷部分是由于多数电荷载流子的耗尽而导致的，而这又是扩散电流和复合的结果。

漂移电流

掺杂并不是半导体中移动电荷载流子的唯一来源。热能导致电子-空穴对的随机产生，导致少数载流子的存在，即p侧的电子和n侧的空穴。

如果 n 侧的空穴或 p 侧的自由电子进入耗尽区，耗尽区的电场将加强向结的另一侧的运动。这是漂移电流：少数载流子在电场的影响下穿过结。它从 n 侧流向 p 侧。

那么电流是否会持续流过二极管，即使它完全没有与电源和其他组件连接？当然不是。pn结自然保持扩散电流和漂移电流之间的平衡。它们以相同的幅度以相反的方向流动，因此净电流为零。

光敏pn结

当一个结暴露在光线下时，我们有一个额外的移动电荷载流子来源，即入射光子传递的能量。如果光子在耗尽区内或附近产生电子-空穴对，则耗尽区的电场可以推动移动电荷载流子穿过结。

这就是我们所说的光电流：由光感应电荷载流子运动产生的电流。

光电流是反向电流。与漂移电流一样，它从 n 侧流向 p 侧，并注意它是如何在耗尽区电场的影响下穿过结的，就像漂移电流一样。当我们讨论暗电流时，我们将在本介绍的后面部分回到漂移电流。

光电二极管的耗尽区

如上所述，光生电子-空穴对只有在耗尽区中或附近才对光电流有贡献。这表明我们可以通过增加耗尽区的宽度来使光电二极管更加敏感：耗尽区越宽，相同强度的入射光将产生更多的光电流，因为更多的光生电荷载流子在将它们推过结的电场。 

还有另一种耗尽区影响光电二极管工作的方式。耗尽区的作用类似于二极管内的电容器，而在光电二极管中，这种电容限制了器件对照度快速变化作出响应的能力。

因此，耗尽区与基于光电二极管的系统设计中的两个重要考虑因素相关联。我将在下一篇文章中重新讨论这些主题。

回顾

pn结中的扩散电流正向流动，产生耗尽区。该耗尽区中的电场允许均衡电流（称为漂移电流）沿相反方向流动。漂移电流和耗尽区的基本知识有助于我们了解光电二极管实现的重要方面。