Фотовольтаический эффект. Уравнение вольтамперной характеристики фотодиода

Фотовольтаический эффект представляет собой химическое и физическое явление и характеризуется возникновением напряжения или электрического тока в веществе под воздействием света.^[1] Впервые его наблюдал французский физик Беккерель в 1839.^[2]

Фотовольтаический эффект напрямую связан с фотоэлектическим эффектом, однако, это различныe процессы. При попадании света на поверхность вещества,электроны в основном состоянии поглощают энергию фотона и, возбуждаясь, переходят на новый энергетический уровень, где становятся свободными. Свободные электроны перемещаются под действием внутреннего электрического поля (потенциал Гальвани) к аноду. Положительный заряд, компенсирующий отрицательный заряд свободных электронов, называется дырка, и соответственно перемещается к катоду. Процесс, в котором два фотона поглощаются одновременно, называется двуфотонным фотовольтаическим эффектом.

Фотовольтаический эффект применяется для измерения интенсивности падающего света (например в фотодиодах) или для получения электричества в солнечных батареях. Из-за разницы в структуре вещества необходимо различать фотовольтаический эффект в неорганических кристаллических структурах, например, в кремниевых кристаллических батареях, и полимерных полупроводниках в полимерных солнечных батареях.

Рисунок 1.18 - Вольт-амперные характеристики диода

В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода (рисунок 1.18 ) с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид

. (1.12)

Здесь - напряжение на диоде. Если , то , то есть в цепи имеется обратный ток, зависящий от светового потока.

Если в цепи отсутствует источник постоянного напряжения ( ), то обратный ток создает на резисторе падение напряжения . Ток в этом случае будет равен

. (1.13)

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогальваническом. В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии с одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изменяются ток в цепи и напряжение на диоде.

В фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в цепи отсутствует. Режим работы определяется также по пересечению нагрузочной линии с соответствующей вольт-амперной характеристикой. В данном случае она проходит через начало координат. При R = 0 (короткое замыкание) нагрузочная линия совпадает с осью ординат, а при R = ∞ (обрыв цепи) она совпадает с осью абсцисс. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при разных световых потоках. У кремниевых фотодиодов она составляет около 0,5 - 0,55 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют полупроводниковыми фотоэлементами.