Фотовольтаический эффект. Фотодиодный и вентильный режимы

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.^[3]

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.^[4]

Вентильный режим. В вентильном режиме фотодиод преобразует световую энергию в электрическую, генерируя фото – э.д.с. под действием света. Из характеристик светодиода видно, что при увеличении освещенности напряжение холостого хода кремниевого фотодиода увеличивается приблизительно до 0,5 В. Для фотодиода характерено наличие тока короткого замыкания I_ф (или фототок), который пропорционален его освещенности. Под нагрузкой (рис.3.13) напряжение на фотодиоде снижается незначительно, пока величина тока нагрузки остается меньше величины тока короткого замыкания для данной освещенности I_ф.

Из схемы на рис.3.13,б, где фотодиод представлен схемой замещения, найдем ток нагрузки. Ток нагрузки будет равен разности тока короткого замыкания (фототока) I_ф и прямого тока диода. Прямой ток диода определяется из уравнения (3.1). Следовательно

.

Отсюда можно найти напряжение на нагрузке

.

Фотодиоды в вентильном режиме пригодны для получения электрической энергии. для этих целей изготавливаются специальные фотодиоды с большой площадью p-n – перехода, которые называются солнечными элементами.

Фотодиодный режим.В фотодиодном режиме на фотодиод подается запирающее напряжение. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. При отсутствии освещенности через фотодиод течет так называемый темновой ток, равный I_то. Фотодиодный режим предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость p-n – перехода.

Фотодиоды широко применяются в различных датчиках, для построения фоточувствительных матриц, в оптронах.