Плотность тока через фотодиод.

Вдали от p-n перехода электрическое поле очень слабое, поэтому основным механизмом движения носителей там является диффузия. Не все фотоэлектроны, возникающие при поглощении света, дойдут до p-n перехода, так как на этом пути возможна рекомбинация носителей заряда. Дойдут лишь те носители заряда, у которых время пути до перехода меньше времени жизни электрона в зоне проводимости (или расстояние до перехода больше длинны диффузионного пробега).

Плотность тока через фотодиод складывается из тока электронов в р-области, дырок в n-области и электронно-дырочных пар, появившихся в p-n переходе:

где g – количество электронно-дырочных пар, родившихся в единицу времени с единицы площади p-n перехода.

Основные характеристики фотоэлемента.

ВАХ.

Основной характеристикой фотоэлемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), при различных освещенностях или световых потоках (рис.3а). При отсутствии освещения (J=0) ВАХ имеет вид характерный для обычного р-n перехода. При увеличении освещенности (J₁ и J₂) появляется обратный ток неосновных носителей и вся кривая смещается вниз.

Рис.3. Общий вид (а) и рабочая область (б) вольт-амперной характеристики фотоэлемента.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжению холостого хода U_хх) при разных освещенностях (для кремниевого фотоэлемента фото-ЭДС имеет порядок ~0,5–0,55 В). Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I_кз. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом имеет порядок ~20-25 мА/см².

По ВАХ при различных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлементов соответствует наибольшая площадь вписанного прямоугольника с вершиной на ВАХ при заданной освещенности (рис.3б). Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение нагрузки составляет ~0,35-0,4 В, плотность тока 15-20 мА/см².

Так как рабочей областью является область прямого смещения р-n перехода и обратного тока, то обычно ВАХ фотоэлемента переворачивают и она имеет вид, приведенный на рис.4.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика ФЭ при разных интенсивностях света J и линия оптимальной нагрузки.