1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
1.1. Электропроводность полупроводников
Действие полупроводниковых приборов основано на явлениях электропроводности в твердых телах. Согласно квантовой теории строения вещества электрон в атоме может иметь только вполне определенные (дискретные) значения энергии и орбитальной скорости, т.е. электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным орбитам, каждой из которых соответствует строго определенная энергия (энергетический уровень). Совокупность энергетических уровней образует энергетический спектр электрона в атоме. При объединении в твердое тело n одинаковых атомов каждый уровень энергии расщепляется на n близко расположенных друг от друга энергетических уровней, образующих разрешенную энергетическую зону. Каждая такая зона характеризуется минимальным и максимальным значениями энергии W.
Все существенные процессы в полупроводниковых приборах можно изучить, рассматривая только две верхние разрешенные энергетические зоны, так как именно они обусловливают проводимость кристалла. Проводимость возможна только тогда, когда возможен переход электрона на смежный, более высокий энергетический уровень, а это значит, что в проводимости могут участвовать только электроны тех зон, в которых есть свободные уровни энергии. Такие свободные уровни всегда имеются в самой верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю разрешенную зону твердого тела называют зоной проводимости (рис. 1.1). Предпоследняя разрешенная зона называется валентной. При температуре абсолютного нуля (
К) она оказывается полностью заполненной, и, следовательно, электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Между этими разрешенными зонами расположена запрещенная зона.
Взаимное положение двух верхних разрешенных зон твердого тела при К лежит в основе классификации металлов, полупроводников и диэлектриков. У металлов зона проводимости и валентная зона перекрываются, т.е. запрещенная зона между ними отсутствует, поэтому даже при нулевой температуре в зоне проводимости находится значительное количество электронов, что и объясняет наличие электропроводности у металлов при температуре абсолютного нуля. У полупроводников и диэлектриков при нулевой температуре верхняя разрешенная зона пуста и проводимость отсутствует. Различие между полупроводниками и диэлектриками в основном количественное и заключается в значительно большей ширине запрещенной зоны у диэлектриков.
В полупроводнике при температуре, отличной от абсолютного нуля, некоторые электроны из верхней части валентной зоны могут перейти в зону проводимости, преодолев запрещенную зону. В результате, как зона проводимости, так и валентная зона становятся “активными” в отношении проводимости, так как в верхней разрешенной зоне теперь имеются свободные электроны, а в валентной зоне – незаполненные энергетические уровни, иначе называемые дырками. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией пар электрон-дырка. Среднее время, в течение которого электрон находится в возбужденном (т.е. свободном) состоянии, называется временем жизни электрона. Это время отсчитывается от момента генерации до момента рекомбинации электрона и дырки.
Рекомбинация электронов и дырок в полупроводнике играет решающую роль в установлении их равновесных концентраций. Непосредственная рекомбинация свободного электрона и дырки – сравнительно редкое событие. Главную роль играет рекомбинация с помощью особых центров рекомбинации, которые называются “ловушками”. Ловушки с физической точки зрения представляют собой посторонние атомы или дефекты кристаллической решетки, а с энергетической – некоторые энергетические уровни, расположенные близко к середине запрещенной
У абсолютно чистых, однородных полупроводников электропроводность невелика, т.е. полупроводники по этому свойству близки к диэлектрикам. В отличие от собственной электропроводности, присущей абсолютно чистым, однородным полупроводникам, электропроводность, обусловленная внесенными в кристаллическую решетку исходного полупроводника примесями, называется примесной. Примеси в кристалле могут вести себя двояко: они либо отдают свои электроны, либо захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая соответственно электронную или дырочную проводимость. Примеси, определяющие возникновение электронной проводимости, называются донорными, а такой примесный полупроводник – электронным полупроводником (n-типа). Если собственным полупроводником является кремний (четырехвалентный элемент), то донорными примесями могут быть мышьяк, сурьма или фосфор (пятивалентные элементы). Примеси, определяющие возникновение дырочной проводимости, называются акцепторными, а соответствующий примесный полупроводник – дырочным полупроводником (p-типа). К акцепторным примесям относятся трехвалентные элементы – бор, галлий, индий – в случае, когда собственным полупроводником является кремний. Подвижные носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает (электроны в полупроводнике n-типа или дырки в полупроводнике p-типа), называются основными носителями, а подвижные носители, составляющие меньшинство – неосновными (электроны в полупроводнике p-типа и дырки в полупроводнике n-типа).
Зонные диаграммы примесных полупроводников показаны на рис. 1.2. Донорную примесь выбирают такой, чтобы ее заполненные электронами уровни располагались в верхней половине запрещенной зоны. Свободные же уровни акцепторной примеси должны располагаться в нижней половине запрещенной зоны. Переходы электронов с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни требуют сравнительно небольшой энергии, поэтому примесная проводимость оказывается гораздо больше собственной.
В теории полупроводников важную роль играет так называемый “уровень Ферми” – такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электронами равна 0,5. В собственных полупроводниках (т.е. полупроводниках без примесей) уровень Ферми при любой температуре расположен в середине запрещенной зоны. В примесных полупроводниках уровень Ферми находится ближе или к зоне проводимости (в электронных полупроводниках), или к валентной зоне (в дырочных полупроводниках). При увеличении температуры уровень Ферми в примесных полупроводниках смещается ближе к середине запрещенной зоны.
1.2. Нелинейные полупроводниковые резисторы
Нелинейные полупроводниковые резисторы представляют широкий класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах полупроводниковых материалов изменять свое сопротивление под действием различных внешних факторов (температуры, света, магнитного поля, механического воздействия). К нелинейным полупроводниковым резисторам относятся терморезисторы, фоторезисторы, магниторезисторы, тензорезисторы. Отличительной особенностью этого класса полупроводниковых приборов является симметричность их вольт-амперных характеристик (ВАХ, рис. 1.3).
Под действием температуры 
в терморезисторе происходит генерация пар электрон-дырка, в результате чего ток I через терморезистор увеличивается при неизменном внешнем напряжении U, т.е. с увеличением температуры сопротивление терморезистора уменьшается (рис. 1.4, а).
Генерация свободных электронов и дырок может происходить не только под действием фононов (квантовых частиц, которые являются носителями энергии тепловых колебаний атомов в решетке), но и под действием фотонов – квантовых частиц света. При увеличении светового потока Ф увеличивается ток I через фоторезистор, а его сопротивление R уменьшается (рис. 1.4, б).
В магниторезисторах используется эффект Гаусса, характеризующийся тем, что с увеличением напряженности магнитного поля H (магнитной индукции B) удлиняется путь электронов, в результате чего ток I через магниторезистор, расположенный в зоне действия магнитного поля, уменьшается, а его сопротивление R увеличивается (рис. 1.4,в).
В тензорезисторах относительное изменение их линейных размеров 
(т.е. деформация) по-разному влияет на величину сопротивления в зависимости от типа полупроводника: увеличение 
приводит к уменьшению сопротивления в случае полупроводника n-типа и, наоборот, – к увеличению сопротивления в случае полупроводника p-типа (рис. 1.4,г).
Одним из основных параметров нелинейных полупроводниковых резисторов является чувствительность (соответственно термочувствительность, фоточувствительность, магнитная чувствительность, тензочувствительность):
где 
– абсолютное изменение соответствующего параметра; 
– относительное изменение параметра (здесь и далее предполагается, что абсолютное приращение параметра 
достаточно малое, т.е. 
).
Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению сопротивления не только терморезисторов, но и других полупроводниковых резисторов, хотя, конечно, в гораздо меньшей степени (к этому, по крайней мере, стремятся разработчики таких приборов). Кроме того, при больших токах (а значит, и повышенном нагреве прибора) у всех полупроводниковых резисторов проявляется нелинейность вольт-амперных характеристик, что объясняется увеличением числа свободных электронов и дырок в результате термогенерации (на рис. 1.3 нелинейные участки ВАХ не показаны).
1.3. Электронно-дырочный переход
Работа большинства различных полупроводниковых приборов основана на явлениях, возникающих в контакте между областями полупроводника с разным типом проводимости. Электронно-дырочный (n-p) переход – это граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет проводимость n-типа, а другая – p-типа.
В месте контакта полупроводников p- и n-типа подвижные носители заряда под действием градиента концентраций диффундируют из одной области полупроводника в другую (дырки из p-области в n-область, а электроны – в противоположном направлении). В результате диффузии в прилегающем к контакту слое дырочной области полупроводника образуется отрицательный пространственный заряд ионизированных атомов акцепторов, а в приконтактном слое электронной области – положительный пространственный заряд ионизированных атомов доноров. Неподвижные носители заряда – положительные и отрицательные ионы (на рис. 1.5,а они обозначены “+” и “–“) – создают электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии через p-n-переход основных носителей заряда, что приводит, в конце концов, к динамическому равновесию, когда диффузионный ток (ток основных носителей заряда) и направленный ему встречно дрейфовый ток (ток неосновных носителей заряда) становятся равными. Поскольку в p-n-переходе подвижные носители заряда – дырки 
и электроны 
– практически отсутствуют, сопротивление этого слоя (на рис. 1.5,а он показан пунктиром) очень велико и близко к сопротивлению диэлектрика.
С точки зрения зонной теории указанные свойства p-n-перехода можно объяснить следующим образом. Поскольку уровень Ферми в полупроводнике n-типа расположен ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике p-типа – к валентной зоне и поскольку уровень Ферми (
) одинаков во всех частях равновесной системы, в месте контакта полупроводников с разным типом проводимости неизбежно возникает искривление зон (рис. 1.5,б), в результате чего образуется разность потенциалов (потенциальный барьер). Если электроны уподобить шарикам, а дырки – поплавкам, то зонная диаграмма позволяет образно интерпретировать действие потенциального барьера.
Рассмотрим теперь p-n-переход в неравновесном состоянии, когда к нему приложено внешнее напряжение и через него протекает ток. Чтобы к полупроводнику подключить внешний источник напряжения, необходимо организовать невыпрямляющие (омические) контакты между областями полупроводника и металлическими площадками, к которым присоединяются металлические выводы. Для этого непосредственно под металлической площадкой создается полупроводник с высокой концентрацией примеси, т.е. обогащенный слой типа 
или 
соответственно (рис. 1.6).
Если к p-области полупроводника подключить плюс источника напряжения (рис. 1.6,а), а к n-области – минус (прямое напряжение 
), то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда переместятся по направлению к p-n-переходу, скомпенсировав на периферии пространственный заряд ионов, в результате чего переход сузится и уменьшится высота потенциального барьера. На зонной диаграмме уменьшение высоты потенциального барьера можно объяснить тем, что в неравновесном состоянии уровень Ферми не будет единым для разных слоев полупроводника. Поскольку потенциальный барьер уменьшится, через p-n-переход потечет прямой ток 
основных носителей заряда (диффузионный ток). На зонной диаграмме увеличение тока основных носителей заряда объясняется уменьшением высоты “горки” для электронов-шариков и глубины погружения для дырок-поплавков.
При обратной полярности внешнего источника напряжения (
на рис. 1.6,б) основные подвижные носители заряда будут оттянуты от p-n-перехода, в результате чего увеличится количество ионов, расширится p-n- переход и возрастет потенциальный барьер, что приведет к прекращению движения основных носителей заряда через p-n-переход. Для неосновных носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области – на рис. 1.5 и 1.6 они не показаны) электрическое поле пространственного заряда (потенциальный барьер) не является препятствием (электроны-шарики легко скатываются с “горки”, а дырки-поплавки всплывают из глубины). Поэтому через p-n-переход будет протекать очень небольшой обратный ток 
неосновных носителей заряда (дрейфовый ток), который практически не зависит от величины приложенного обратного напряжения. Ток называют тепловым током, поскольку он сильно зависит от температуры (для кремния приращение температуры на 5…7 градусов вызывает удвоение тока ).
Зависимость тока 
через p-n-переход от приложенного к нему напряжения 
(вольт-амперная характеристика) имеет следующий вид:
, (1.1)
где 
– температурный потенциал (
при 
); k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.
Выражение (1.1) описывает реальную вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода (рис. 1.7) до напряжения пробоя 
, при достижении которого имеет место электрический пробой, когда наблюдается резкий рост обратного тока через p-n-переход при незначительном увеличении напряжения внешнего источника (участок 2–3 ВАХ). Если этот ток не ограничивать, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ ниже точки 3), при котором увеличение тока обусловлено термогенерацией носителей заряда, вызванной, в свою очередь, дополнительным нагревом полупроводника под действием тока этих носителей заряда. При тепловом пробое увеличение тока сопровождается падением напряжения на p-n-переходе (предполагается, что последовательно с p-n-переходом во внешней цепи включен резистор). Тепловой пробой – это необратимый процесс, который заканчивается тепловым разрушением p-n-перехода.
В отличие от теплового электрический пробой – обратимый процесс, если ток в цепи p-n-перехода ограничить на безопасном уровне, включив последовательно с ним резистор. Электрический пробой бывает двух видов: лавинный и туннельный. При лавинном пробое происходит ударная ионизация нейтральных атомов полупроводника в области p-n-перехода, когда электроны, ускоренные достаточно сильным электрическим полем, “выбивают” из нейтральных атомов новые свободные электроны, которые, в свою очередь, становятся участниками процесса “размножения” подвижных носителей заряда. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, характеризующийся тем, что электроны из области полупроводника одного типа могут переходить в область полупроводника другого типа, не преодолевая потенциального барьера, если расстояние между зоной проводимости n-области и валентной зоной p-области небольшое.
Прямая ветвь ВАХ p-n-перехода без учета остальных областей полупроводника имеет экспоненциальный характер. Поскольку на этом участке ВАХ напряжение мало меняется при значительном изменении тока через p-n-переход, прямую ветвь характеризуют параметром 
– напряжением открывания p-n-перехода (
в случае кремния и 
в случае германия).
1.4. Полупроводниковые диоды
1.4.1. Выпрямительные диоды
В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n-перехода. Эти диоды предназначены для преобразования знакопеременного тока в знакопостоянный. Условное графическое обозначение выпрямительного диода показано на рис.1.8,а (клин указывает направление наибольшей проводимости).
Вольт-амперная характеристика реального диода несколько отличается от характеристики идеального p-n-перехода. На прямой ветви ВАХ выше точки 1 (см. рис. 1.7) отличие от экспоненты вызвано влиянием омического сопротивления областей полупроводника. В реальных полупроводниковых приборах чаще всего используются несимметричные p-n-переходы, у которых одна из областей, называемая эмиттером, имеет гораздо большую концентрацию примеси (меньшее сопротивление), чем другая, называемая базой (сопротивление базы у различных диодов составляет величину 1…30 Ом). Поэтому выше точки 1 форма ВАХ определяется суммарным сопротивлением p-n-перехода и базы. У реального диода обратный ток 
на участке ВАХ левее точки 0 (до точки электрического пробоя) состоит из суммы дрейфового тока и тока термогенерации пар электрон-дырка в самом p-n-переходе. Ток термогенерации, в отличие от , зависит от приложенного обратного напряжения. У кремниевых диодов ток термогенерации на несколько порядков больше тока , тогда как у германиевых диодов эти токи одного порядка, однако суммарный ток кремниевых диодов значительно меньше суммарного обратного тока германиевых диодов. Рабочим участком ВАХ выпрямительных диодов является участок правее точки .
Выпрямительные свойства диода характеризуются отношением обратного сопротивления 
к прямому 
. Чем это отношение больше, тем эффективнее выпрямительный диод выполняет свои функции. Однако при работе выпрямительного диода на высоких частотах или при быстрых переключениях кроме активных сопротивлений 
и 
необходимо учитывать также его емкостные сопротивления, которые могут значительно ухудшить выпрямительные свойства диода. Уменьшение сопротивления обратносмещенного p-n-перехода на высоких частотах объясняется наличием у него барьерной и диффузионной емкостей. Подобно плоскому конденсатору электронно-дырочный переход представляет собой систему из двух проводящих плоскостей (ионизированных атомов примесей), заряды которых равны, противоположны по знаку и разделены средой, близкой по своим свойствам к диэлектрику, причем при изменении приложенного напряжения изменяется и пространственный заряд. Это свойство p-n-перехода характеризуется барьерной емкостью 
. У высокочастотных и импульсных диодов барьерная емкость меньше 1 пФ, что достигается, прежде всего, за счет уменьшения площади p-n-перехода и увеличения его ширины. Диффузионная емкость 
характеризует процесс накопления неосновных носителей заряда в базе (как наиболее высокоомном слое) при протекании через переход прямого тока. При быстрых переключениях неосновные носители заряда, не успев рекомбинировать в базе, создают большой обратный ток, что аналогично действию конденсатора. Значение диффузионной емкости зависит от величины прямого тока (рис. 1.8,б) и сопротивления базы: чем меньше сопротивление базы, т.е. больше концентрация примеси, тем меньше время жизни электронов и меньше . В связи с этим минимальной диффузионной емкостью обладает переход полупроводник-металл (диод Шотки), поскольку время жизни электрона в металле минимально. Диоды Шотки имеют примерно такую же ВАХ, как и другие выпрямительные диоды, но у них 
, что в некоторых случаях оказывается важным.
Кроме 
выпрямительные диоды, как и другие полупроводниковые приборы, характеризуются электрическими параметрами номинального и предельного режимов работы.
1.4.2. Стабилитроны
У полупроводникового стабилитрона используется слабая зависимость напряжения на p-n-переходе от протекающего через него тока на участке электрического пробоя (рис. 1.9). Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации 
. У стабилитронов с малым напряжением стабилизации (до 5 В) имеет место туннельный пробой, а у стабилитронов с 
– лавинный (при напряжении стабилизации вблизи 5 В пробой определяется совместным взаимодействием туннельного и лавинного механизмов).
Рабочий участок ВАХ находится между уровнем 
, когда уже наблюдается устойчивый пробой, и уровнем 
, при котором температура p-n-перехода еще недостаточна, чтобы возник тепловой пробой. Качество стабилитрона оценивается дифференциальным сопротивлением в области рабочих токов (
), которое чем меньше, тем лучше (у различных стабилитронов 
составляет единицы – сотни Ом). Не менее важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации
или 
,
показывающий насколько изменится напряжение стабилизации при изменении температуры на 1 градус. У стабилитронов с лавинным механизмом пробоя температурный коэффициент положительный (порядка 2 мВ/град), а у стабилитронов с туннельным механизмом пробоя – отрицательный.
1.4.3. Варикапы
Варикап – это полупроводниковый управляемый конденсатор. Свойство барьерной емкости p-n-перехода изменять свою величину под воздействием внешнего напряжения связано с наличием пространственного заряда в области p-n-перехода. Поскольку при увеличении обратного напряжения p-n-переход расширяется (что эквивалентно увеличению расстояния 
между пластинами плоского конденсатора), барьерная емкость уменьшается (рис. 1.10).
Основными параметрами варикапа являются: минимальная и максимальная емкости 
и 
, добротность Q и температурный коэффициент емкости
,
характеризующий величину относительного изменения барьерной емкости при изменении температуры на 1 градус. Температурный коэффициент получается наибольшим при нулевом значении обратного напряжения (порядка 
), при увеличении 
он уменьшается (примерно в 10 раз при максимальном ). Сравнительно низкая добротность емкости варикапа (Q = 10…1000 в зависимости от рабочей частоты) объясняется невысокими диэлектрическими свойствами среды, разделяющей заряды разного знака, а также ненулевым значением сопротивления слоев полупроводника, образующих диод.
1.4.4. Туннельные диоды
Отличительной особенностью туннельного диода является высокая концентрация примесей в областях p- и n-типа, в связи с чем такой полупроводник вырождается в полуметалл. В вырожденном полупроводнике энергетические уровни примесных атомов образуют зоны, которые сливаются с соответствующими зонами областей p- и n-типа, в результате чего уровни Ферми , как и в металле, располагаются в разрешенных зонах: в валентной зоне p-полупроводника и в зоне проводимости полупроводника n-типа (рис. 1.11,а).
Так как p-n-переход туннельного диода имеет очень малую ширину, т.е. нижняя часть зоны проводимости и верхняя часть валентной зоны разделены узкой запрещенной зоной, то электроны имеют возможность переходить из одной области полупроводника в другую, как бы пронизывая узкую запрещенную зону, не преодолевая при этом потенциальный барьер. Это явление называется туннельным эффектом.
Поскольку уровень Ферми является границей распределения электронов и дырок по энергетическим уровням, в образовании тока через переход принимают участие в основном только те электроны, энергия которых ниже уровня Ферми, и только те дырки, энергия которых выше уровня Ферми. Для понимания принципа действия туннельного диода достаточно рассмотреть поведение носителей заряда только одного знака, например электронов (ход рассуждения относительно дырок будет аналогичным).
Если к p-n-переходу приложено нулевое внешнее напряжение, то потоки электронов из p-полупроводника в n-полупроводник и в обратном направлении одинаковы (рис. 1.11,а), и во внешней цепи ток отсутствует (точка а на вольт-амперной характеристике, изображенной на рис. 1.12). При подаче обратного напряжения (плюсом к n-области) уровень Ферми p-полупроводника (
) станет выше уровня Ферми n-полупроводника (
на рис. 1.11,б), поэтому поток электронов, проникающих по “туннелю” (“по горизонтали”) из p-полупроводника в n-полупроводник, резко увеличится (на большей глубине валентной зоны находится большее количество электронов), а поток электронов из n-полупроводника в p-полупроводник не изменится, в результате чего во внешней цепи потечет значительный обратный ток (точка б на графике рис. 1.12).
При увеличении от нуля прямого напряжения число электронов, проникающих из p-полупроводника в n-полупроводник, уменьшается, тогда как число электронов, двигающихся в обратном направлении, не изменяется, что приводит к появлению прямого тока, который увеличивается с ростом прямого напряжения. Прямой ток достигнет своего максимального значения (точка в на графике рис. 1.12), когда уровень Ферми n-полупроводника сравняется с потолком валентной зоны p-полупроводника (рис. 1.11,в). При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток начнет уменьшаться, поскольку при отсутствии потока электронов из p- в n-полупроводник уменьшается поток электронов, туннелирующих в обратном направлении. Минимального значения прямой ток (точка г на графике рис. 1.12) достигнет тогда, кода дно зоны проводимости полупроводника n-типа сравняется с потолком валентной зоны полупроводника p-типа (рис. 1.11,г). При увеличении прямого напряжения правее точки г (рис. 1.12) запрещенная зона становится сквозной (рис. 1.11,д), туннельный переход носителей заряда прекращается, а увеличение прямого тока объясняется перемещением основных носителей заряда через p-n-переход путем преодоления потенциального барьера (рис. 1.11,д), т.е. участок характеристики правее точки г является диффузионным участком ВАХ туннельного диода.
Характерная особенность туннельного диода – наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок в–г), где с увеличением напряжения прямой ток уменьшается. Благодаря тому, что туннельный диод состоит из слоев полупроводника с очень высокой концентрацией примесей, он отличается высоким быстродействием, а также способностью работать при повышенных уровнях радиации и в широком диапазоне температур.
1.4.5. Фотодиоды
Фотодиоды могут работать как в режиме фотосопротивления при обратно смещенном p-n-переходе (рис. 1.13,а), так и в режиме генератора фотоЭДС (рис. 1.13,г). В режиме фотосопротивления и в отсутствии
освещения (световой поток Φ = 0) обратная ветвь ВАХ фотодиода (рис. 1.13,б) точно такая же, как и у выпрямительного диода. Протекающий при этом незначительный обратный ток, образованный неосновными носителями заряда, называется темновым током. Под действием светового потока (Φ > 0), падающего на p-n-переход, в нем происходит фотогенерация пар электрон-дырка, т.е. увеличение числа как основных, так и неосновных носителей заряда, причем в отношении последних это будет существенный рост, поскольку при Φ = 0 неосновных носителей заряда в p- и n-полупроводнике немного. Эти дополнительные неосновные носители заряда под действием приложенного к диоду обратного напряжения создадут во внешней цепи фототок, величина которого прямо пропорциональна световому потоку Φ (как это видно из световой характеристики, изображенной на рис. 1.13,в).
В режиме генератора фотоЭДС образовавшиеся в p-n-переходе под действием света свободные электроны будут втянуты полем p-n-перехода в n-область полупроводника, а дырки – в p-область, создавая на выводах фотодиода ЭДС, под действием которой во внешней цепи потечет ток. Световая характеристика в этом режиме будет линейной только при сопротивлении нагрузки 
(рис. 1.13,д), а при 
она искривляется, причем тем больше, чем больше сопротивление нагрузки.
Основным параметром фотодиода является чувствительность, определяемая как приращение фототока при изменении светового потока в 1 люмен (в режиме генератора фотоЭДС – при ).
1.4.6. Излучающие диоды
Процесс рекомбинации носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход сопровождается как выделением фононов, так и выделением фотонов. Соотношение между количеством фононов и фотонов зависит от исходного полупроводникового материала, а также типа и концентрации примесей (в качестве исходного полупроводника при изготовлении излучающих диодов используется арсенид галлия, фосфид галлия, а также соединения кремния).
Светодиод (излучающий диод) работает при прямом смещении p-n-перехода (рис. 1.14,а), когда прямой ток составляет величину порядка 10…50 мА (при этом напряжение светодиода, изготовленного на основе фосфида галлия, примерно равно 1,5 В, а напряжение электрического пробоя 
). Основной характеристикой светодиода является яркостная характеристика (рис.1.14,б), определяющая зависимость светового потока Φ от протекающего через светодиод прямого тока I. Конструктивно светодиод выполняется таким образом, чтобы обеспечить вывод излучения с минимальными потерями. Распределение интенсивности излучения в зависимости от длины волны называется спектральной характеристикой. Излучающие диоды выпускаются как для видимой, так и для инфракрасной части спектра.
Светодиод используется не только в качестве индикатора, но и в качестве источника излучения оптрона (оптопары), приемником излучения которого могут быть фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор (на рис. 1.14,в приведена схема диодного оптрона). Преимуществом оптрона является отсутствие гальванической связи между входной и выходной цепями. Передаточная характеристика оптрона строится на основе характеристик источника и приемника излучения. В частности, при построении передаточной характеристики диодного оптрона необходимо для различных значений тока 
по яркостной характеристике светодиода (рис. 1.14,б) определить значения светового потока Φ, а по световой характеристике фотодиода (см. рис. 1.13,д) – значения тока фотодиода 
(на рис. 1.14,г приведено семейство передаточных характеристик диодного оптрона при различных сопротивлениях нагрузки 
, подсоединенной к его выходным зажимам).
