光敏pn结的物理操作

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 侧流到 n 侧，形成耗尽区，漂移电流从 n 侧流到p 侧。

扩散电流

空穴是 p 侧的多数载流子，而自由电子是 n 侧的多数载流子。这些载流子会发生扩散，即粒子从较高浓度移动到较低浓度的趋势。空穴扩散穿过结，从 p 到 n，电子也扩散穿过结，从 n 到 p。这些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，因为常规电流的流动方向与正电荷载流子相同，即使正电荷载流子实际上并不存在于电路中。

在这种情况下，空穴在移动，所以我们实际上有正电荷载流子，因此传统电流在科学上比不包含二极管或晶体管的电路更连贯。

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，它们会在另一侧与空穴相遇。可以说，电子“落入”空穴中，并在结附近发生复合。

这会导致 p 侧结附近出现整体负电荷区域，因为复合消除了先前平衡 p 型半导体中的束缚负电荷的空穴。同样的事情发生在另一边，在 n 型半导体中，只是那里的束缚电荷是正的。

我们称此为耗尽区，因为结两侧的总正电荷和负电荷部分是由多数电荷载流子的耗尽引起的，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，即电子在p侧，空穴在n侧。

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 结自然地保持扩散电流和漂移电流之间的平衡。它们以相同的大小以相反的方向流动，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，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：光感应载流子运动产生的电流。

光电流是反向电流。像漂移电流一样，它从n侧流向p侧，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回到漂移电流。

光电二极管中的耗尽区

如上所述，光产生的电子-空穴对只有在耗尽区内或附近时才会产生光电流。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灵敏：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可以到达推动它们穿过结点的电场。

耗尽区还有另一种影响光电二极管操作的方式。耗尽区的功能类似于二极管内的电容器，而在光电二极管中，该电容限制了器件响应照度快速变化的能力。

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有关。