Фотогальванический эффект
Определение.
Фотогальваническим эффектом называют явление возникновения э. д. с. на зажимах прибора, содержащего электрический переход, при воздействии на него электромагнитного излучения.Соответственно фотогальваническими называют приборы, принцип действия которых основан на электрических явлениях в электронно-дырочном переходе, протекающих под действием светового потока. Фотогальванические приборы служат преобразователями энергии светового потока в электрическую энергию. К этой группе приборов относят полупроводниковые фотоэлементы, а также фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры
Облучение р-п перехода световым потоком.
На рис. 14-5 показана энергетическая диаграмма р-п перехода, облучаемого световым потоком Ф.
Предположим, что практически все примесные атомы термически ионизованы и при облучении р-n-пёрехода наблюдается в основном собственное поглощение. Предположим также, что световой поток Ф содержит спектральные составляющие, для которых выполняется условие:
14-20
Коэффициент поглощения 
достаточно велик, так что основные акты поглощения происходя в толще p-полупроводника, недалеко от его поверхности. В результате собственного поглощения образуются пары свободных зарядов: электроны и дырки. В p-полупроводнике, таким образом, создается неравновесная концентрация зарядов обоих знаков, которые и диффундируют по направлению к области с меньшей концентрацией, т. е. к запирающему слою. Достигнув этого слоя, электроны увлекаются контактным полем 
и перебрасываются в n-область, где они являются основными носителями. Дырки тормозятся контактным полем и остаются в р-области. Таким образом, по обе стороны запирающего слоя увеличивается концентрация основных носителей зарядов.
Если области полупроводника, образующие переход, не замкнуты внешней цепью, то в p-области будут накапливаться дырки, а в n-области — электроны. Объемный заряд этих основных носителей частично компенсирует заряды ионизированных атомов примесей в запирающем слое, и
потенциальный барьер на переходе снижается. Условие равновесия нарушается, и через переход возникает диффузионный ток основных носителей. Новое равновесное состояние будет соответствовать меньшей величине потенциального барьера
, при которой поток неосновных носителей через переход, возникающих в результате поглощения квантов света, будет полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей.
Возникающая при этом разность потенциалов 
Фото
-э.д.с. зависит от интенсивности облучающего переход света и других факторов, но ее максимальное значение не может быть больше контактной разности потенциалов
.
Если области полупроводника, образующие р-п переход, замкнуть внешней цепью, то в ней потечет фототок 
Число генерируемых в единицу времени пар зарядов пропорционально числу поглощенных фотонов Ф/hv и квантовому выходу 
. Следовательно, для фототока можно записать:
(14-21)
где
— коэффициент собирания носителей заряда, определяющий число пар носителей зарядов, не рекомбинирующих в толще и на поверхности полупроводнике и достигающих запирающего слоя (х < 1).
Как видно из этого выражения, фототок I
пропорционален световому потоку Ф. Коэффициент пропорциональности в (14-21)
.
(14-22) — это интегральная чувствительность фотоприемника.
Коэффициент зависит от ряда факторов: электрофизических свойств материала, толщины слоя полупроводника вблизи поверхности и др. В самом деле, величина фототока определяется характером движения неравновесных “световых” носителей заряда. Это движение включает в себя диффузию частиц к запирающему слою и дрейф носителей в поле 
через запирающий слой. Очевидно, что если основные акты поглощения происходят в р-слое, то для получения коэффициента , близкого к единице, толщина этого слоя w должна быть много меньше диффузионной длины: w
. С другой стороны, чрезмерное уменьшение w может привести к к тому, что основные акты поглощения будут происходить очень близко к поверхности, где вероятность рекомбинации на поверхностных уровнях существенно больше.
Время диффузии носителей к переходу, а также время дрейфа их в контактном поле определяют инерционные свойства приборов.
В ряде приборов акты поглощения происходят не только в слое полупроводника, прилегающего к поверхности, но и в области запирающего слоя. Как показывает анализ [23], в том и другом случае наилучшее соотношение между квантовой эффективностью прибора и его быстродействием достигается при условии
(14-23)
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода, облученного светом.
Предположим, что внешняя цепь р-п перехода замкнута через резистор нагрузки
, подключенный к металлическому покрытию со стороны n-полупроводника и к полупрозрачной металлической пленке на поверхности р-полупроводника (рис. 14-6). Ток 
, создаваемый движением через переход неосновных носителей, совпадает по направлению с обратным током 
электронно-дырочного перехода. На резисторе 
ток 
создает падение напряжения U
. (плюсом к p-полупроводнику), которое приводит к уменьшению потенциального барьера и, следовательно, к возникновению через переход прямого тока, текущего навстречу току Iф. Используя выражение (10-52) для вольт – амперной
характеристики р-п перехода, запишем выражение для тока во внешней цепи облученного перехода:
Принимая во внимание, что
U =
=
запишем:
(14-25)
Решив относительно 
(14-26)
Эти выражения описывают вольт-амперную характеристику облученного р-п перехода (рис. 14-7).
Первый квадрант содержит прямую (диффузионную) ветвь вольт-амперной характеристики необлученного (Ф = 0) перехода, находящегося под прямым напряжением. При облучении перехода возникающий фототок вычитается из диффузионного тока и эта часть характеристики видоизменяется. В третьем квадранте располагается семейство кривых, соответствующих подключению обратного напряжения к р-п .переходу. При Ф > 0 фототок суммируется с обратным током р-п перехода. Эту часть характеристик называют характеристиками фотодиодного включения облученного р-п перехода. Характеристики в четвертом квадранте являются характеристиками полупроводникового фотоэлемента,
На оси ординат рис. 14-7
(U = 0) кривые при условии
отсекают равные отрезки.
В режиме холостого хода (I = 0) выражение (14-26) имеет вид:
. (14-28)
Напряжение на зажимах фотогальванического элемента растет с увеличением светового потока по логарифмическому закону. В соответствии с этим же законом изменяются величины отрезков, отсекаемых кривыми на оси напряжений (/ =0).
Напряжение на зажимах прибора в режиме холостого хода — это, как отмечалось, выше, фотоэлектродвижущая сила U
. (14-29).
При интенсивном освещении 
и единицей в скобках можно пренебречь:
( 14-30), что и видим на ВАХ.
