Studiul Dispozitivelor Optoelectronice Bazate pe Efectul Fotovoltaic

Efectul fotovoltaic constă în apariţia unei tensiuni electromotoare într-un semiconductor iluminat.

Interacţiunea dintre un solid şi undele electromagnetice determină, printre alte fenomene, absorbţia

radiaţiei incidente. În cazul semiconductorilor, unul din mecanismele absorbţiei constă în tranziţia

unui electron din banda de valenţă în banda de conducţie (în urma absorbţiei unui foton). În

consecinţă numărul purtătorilor de sarcină liberi creşte, ceea ce determină creşterea conductivităţii

electrice, fenomen numit fotoconductibilitate (sau efect fotoelectric intern). Generarea perechilor

electron-gol sub secţiunea luminii este o condiţie necesară pentru producerea efectului fotovoltaic

dar nu şi suficientă. Noii purtători de sarcină trebuie să se redistribuie, determinând apariţia unei

diferenţe de potenţial între suprafaţa iluminată şi cea neiluminată. Redistribuirea poate fi

determinată de:

1) generarea neuniformă a purtătorilor de sarcină într-un semiconductor omogen (efectul Dember);

2) un câmp intern local din semiconductor care poate fi realizat prin doparea diferită a

semiconductorului (joncţiune p-n);

3) un gradient al timpului de viaţă al purtătorilor de sarcină;

4) prezenţa unui câmp magnetic (efectul fotoelectromagnetic), etc.

Într-un semiconductor intrinsec, banda de conducţie este nepopulată la 0K şi este separată printr-o

bandă interzisă Eg de banda de valenţă ocupată. Diferenţa dintre valoarea maximă a energiei în

banda de valenţă şi valoarea minimă în banda de conducţie determină valoarea minimă a intervalului

de energie interzis.

Într-un semiconductor extrinsec, nivelele energetice ale impurităţilor se găsesc în zona interzisă, mai

aproape de marginea inferioară a zonei de conducţie pentru atomii donori şi în vecinătatea marginii

superioare a zonei de valenţă pentru atomii acceptori. Deoarece diferenţa de energie dintre nivelele

impurităţilor şi marginea zonei de valenţă sau de conducţie este mică (≈0,01 eV) chiar la temperatura

camerei, energia termică este suficientă pentru ionizarea acestor atomi. Acest lucru explică creşterea

conductibilităţii electrice determinate de impurităţi.

Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis Eg are valori între 0,2 şi 2,3 eV.

Deci vor produce tranziţia electronului din B.V. în B.C. fotonii cu frecvenţe de cel puţin:

h

υ = Eg (1)

Intervalului energetic 0,2 – 2,3 eV îi corespunde intervalul de lungimi de undă 6,2 – 0,5 μm, deci

fotonii din domeniul vizibil şi infraroşu sunt cei ce determină tranziţia.

Dacă notăm cu n0 şi p0 concentraţiile electronilor şi golurilor în lipsa iluminării şi la echilibru

termic, sub acţiunea unui câmp electric E apare un curent de drift cu densitatea: