光敏pn結的物理操作

硅 pn 結

當一塊 n 型硅與一塊 p 型硅接觸時會發生有趣的事情：擴散電流從 p 側流到 n 側，形成耗盡區，漂移電流從 n 側流到p 側。

擴散電流

空穴是 p 側的多數載流子，而自由電子是 n 側的多數載流子。這些載流子會發生擴散，即粒子從較高濃度移動到較低濃度的趨勢?？昭〝U散穿過結，從 p 到 n，電子也擴散穿過結，從 n 到 p。這些載流子運動是電流的一種形式；我們稱之為擴散電流。

擴散電流被描述為從 p 側流向 n 側，因為常規電流的流動方向與正電荷載流子相同，即使正電荷載流子實際上并不存在于電路中。

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

耗盡區

我們在 n 側有自由電子，在 p 側有空穴。當自由電子擴散穿過結時，它們會在另一側與空穴相遇?？梢哉f，電子“落入”空穴中，并在結附近發生復合。

這會導致 p 側結附近出現整體負電荷區域，因為復合消除了先前平衡 p 型半導體中的束縛負電荷的空穴。同樣的事情發生在另一邊，在 n 型半導體中，只是那里的束縛電荷是正的。

我們稱此為耗盡區，因為結兩側的總正電荷和負電荷部分是由多數電荷載流子的耗盡引起的，而這又是擴散電流和復合的結果。

漂移電流

摻雜并不是半導體中移動電荷載流子的來源。熱能導致電子-空穴對的隨機產生，導致少數載流子的存在，即電子在p側，空穴在n側。

如果 n 側的空穴或 p 側的自由電子進入耗盡區，耗盡區的電場將加強向結另一側的運動。這是漂移電流：少數載流子在電場的影響下穿過結。它從 n 側流向 p 側。

那么電流是否持續流過二極管，即使它完全沒有與電源和其他組件連接？當然不是。pn 結自然地保持擴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，因此凈電流為零。

光敏 pn 結

當一個結暴露在光線下時，我們有一個額外的移動電荷載流子來源，即入射光子傳遞的能量。如果光子在耗盡區內或附近產生電子空穴對，耗盡區的電場可以推動移動電荷載流子穿過結。

這就是我們所說的光電流：光感應載流子運動產生的電流。

光電流是反向電流。像漂移電流一樣，它從n側流向p側，注意它是如何在耗盡區電場的影響下穿過結的，就像漂移電流一樣。當我們討論暗電流時，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

如上所述，光產生的電子-空穴對只有在耗盡區內或附近時才會產生光電流。這表明我們可以通過增加耗盡區的寬度來使光電二極管更靈敏：耗盡區越寬，相同強度的入射光將產生更多的光電流，因為更多的光生電荷載流子可以到達推動它們穿過結點的電場。

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

因此，耗盡區與基于光電二極管的系統設計中的兩個重要考慮因素有關。