2.4.1. Cấu tạo
Phôtôdiôt đợc cấu tạo trên cơ sở chuyển tiếp P – N, lợc đồ cấu trúc của phôtôdiôt P – N có thể biểu diễn nh sau:
R hγ 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 P N
Hình 2.7.b. Đặc tuyến vôn am pe của pin mặt trời– .
125mw/cm2 100mw/cm2
- +
ln w lp
Hình 2.8.a.lợc đồ cấu trúc của phôtodiot P .N.
ở đây chúng ta cũng cần biết rằng, để tạo ra lớp chuyển tiếp P - N Có nhiều phơng pháp công nghệ khác nhau. Trớc năm 1960 chế tạo bằng cách thay đổi tạp chất loại n hay loại p trong quá trình nuôi tinh thể. Sau những năm 1960 – 1970 chế tạo bằng công nghệ hợp kim, sau này chế tạo bằng phơng pháp khuếch tán hay cấy ion vào bán dẫn.
Lớp bán dẫn tạo ra bởi khuếch tán gồm bề mặt rất mỏng (cỡ dới 1 μm) đối với Si và nồng độ pha tạp không cao để ánh sáng có thể xuyên sâu vào trong lòng lớp tiếp giáp.
- Có cửa sổ để ánh sáng có thể chiếu vào qua cửa sồ
- Bề mặt chế tạo sao cho sự phản xạ nhỏ nhất nhờ lớp bảo vệ oxit Silic
- Phôtôdiôt luôn phân cực ngợc
- Lớp nghèo lan ra không rộng lắm
- Đế tơng đối dầy: cỡ 80 – 160( μm).
SiO2 Anôt Miền nghèo
P
N+ N
Hình 2.8.bCấu trúc của phôtôdôt PN điển hình.
2.4.2. Nguyên lý hoạt động
Khi ánh sáng chiếu vào bán dẫn xảy ra 3 trờng hợp sau:
- Khi photon có năng lợng hγ = ∆Eg sẽ hấp thụ tạo ra cặp e – h
- Khi hγ < ∆Eg cũng có thể tạo ra cặp e- h, khi có mức năng lợng nằm trong vùng cấm để điện tử nhảy lên nó.
- Khi hγ > ∆Eg tạo ra e – h, nếu còn năng lợng thừa thì sẽ đợc chuyển sang năng lợng nhiệt làm nóng tinh thể.
Khi chiếu một chùm sáng có năng lợng đủ lớn vào một phôtôđiôt Một phần ánh sáng bị phản xạ, phần còn lại đi sâu vào bán dẫn và bị hấp thụ tạo ra những cặp điện tử e – h sinh ra ở phía miền P hoặc N. Nhng ở phía ngoài miền điện tích không gian và các hạt tải không cơ bản cần đợc khuếch tán tới biên miền nghèo. Khi khuếch tán ở biên miền nghèo một số hạt tải bị tái hợp các hạt còn lại đợc điện trờng nội cuốn sang bên tiếp giáp lớp nghèo phía bên kia để góp phần tạo nên dòng quang điện.
Khi không có ánh sáng chiếu vào, phôtôdiôt thể hiện nh một điôt thông thờng. Đặc trng I – V lý tởng đợc biểu diễn nh sau:
J = IS [ exp (kqVT B. ) – 1 ] (2.13) trong đó IS = q.ni 2 [ . 1 A N ( ) n N D τ 1/2+ND 1 ( p p D τ )1/2] (2.14)
và q là điện tích, k là hằng số bolzman, T là nhiệt độ tuyệt dối, V là hiệu điện thế phân cực đặt vào phôtôđIôt; NA, Na là nồng độ accepto và đôno, Dn, và Dp là hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống, τ n và τ p l là thời
I(mA) 5 nhánh thuận nhánh ngợc V(V) - 5 0 5 Hình 2.9. Đặc trng I V thận và nghịch của photođiot P N– –
- Khi có ánh sáng chiếu vào, phôtôđiôt sẽ có thêm thành phần dòng quang điện, lúc này đặc trng I - V đợc biểu diễn nh sau:
J = IS [exp(kqVT
B. ) - 1 ] - Jphoto ( 2.15) Trong đó: - J là thành phần dòng quang điện.
Nếu V lớn thì phơng trình trên tơng đơng:
J ≈ - ( JS + J photo) (2.16)
- Nếu thế hiệu phân cực bằng không (V = OV) phôtôđiôt hoạt động ở chế độ pin mặt trời biểu thức dòng lúc này là: J ≈ ~ Jphoto
- Đặc trng I – V tối sáng của phôtôđiôt đợc biểu diễn nh hình 2.9. Phôtôđiôt PN khi không có chiếu sáng có đờng đặc trng I - V theo dạng tơng tự các điôt bán dẫn thông thờng. ở chế độ phân cực ngợc, khi có ánh sáng tới bề mặt phôtôđiôt thì cùng một điều kiện hoạt động (thế phân cực, tải mạch ngoài...) với những cờng độ bức xạ khác nhau sẽ cho những góc độ dòng quang điện khác nhau do có đóng góp của dòng photo.
I (II) 0 (I) Φ0 V Φ1 -ip1 (III) (IV) Φ2 -ip2
Hình 2.10. Đặc trng I V của phôtôdiôt khi có chiếu sáng và khi–
không có chiếu sáng thì có dạng nh điốt P N.
Ngời ta thờng chia đặc trng của phôtôđiôt thành 4 góc hoạt động nh sau:
- Góc 1: Có dòng điện và thế hiệu dơng, biểu thị chiều thuận của phôtôdiôt.
- Góc 2: Không có đặc tuyến đi qua
- Góc 3: Góc hoạt động của phôtôđiôt ở chiều ngợc (đây là chế độ hoạt động thông thờng của phôtôđiôt).
- Gớc 4: góc hoạt động của phôtôđiôt ở chế độ pin quang điện (pin mặt trời).