M5 Photovoltaik und Fotodetektion

Thema

Ein Photon mit ausreichender Energie, die die Bandlücke dieses Halbleitermaterials (gemäß einem anderen Modell des Systems) übersteigt, erzeugt nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz, das die Absorption dieses Photons beim Eindringen in den Halbleiter beschreibt, ein Elektron-Loch-Paar: Die Energie des absorbierten Photons regt ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband des Halbleiters an und hinterlässt im Valenzband das zugehörige Loch des Elektron-Loch-Paares. Da dieses Halbleitermaterial gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz einen größeren Anteil dieser Photonen mit ausreichender Energie absorbiert, werden Elektron-Loch-Paare folglich häufiger in ihm erzeugt.

Das interne elektrische Feld des p-n-Übergangs, das ein anderes Modell des Systems darstellt, trennt dieses Elektron-Loch-Paar, bevor die beiden Ladungsträger rekombinieren können. Dasselbe interne elektrische Feld zieht das Elektron des Elektron-Loch-Paares auf die eine Seite des p-n-Übergangs und das Loch auf die gegenüberliegende Seite. Diese Anziehung in entgegengesetzte Richtungen erzeugt den Photostrom des Halbleitermaterials. Da das Elektron-Loch-Paar näher am p-n-Übergang, also innerhalb der Reichweite des internen elektrischen Feldes, erzeugt wird, ist die Trennung effizienter und der Photostrom somit größer. Umgekehrt führt die kürzere Lebensdauer der Minoritätsträger in diesem Halbleitermaterial – was ein anderes Modell dieses Systems bedingt – dazu, dass ein größerer Anteil der Elektron-Loch-Paare rekombiniert, bevor sie durch das interne elektrische Feld getrennt werden können. Folglich ist der Photostrom kleiner.

Dieses Modell mit dem Elektron-Loch-Paar und dem es erzeugenden Photostrom erzeugt daher, wenn dieser Photostrom im Leerlauf fließt (ohne externen Pfad), eine Photospannung – die Leerlaufspannung des Bauelements. Da dieser externe Pfad fehlt, akkumuliert sich der Photostrom stattdessen als zunehmende Vorwärtsspannung an diesem p-n-Übergang und reduziert so schrittweise das Kontaktpotenzial desselben p-n-Übergangs, bis der Diodenstrom, der bereits das Shockley-Modell dieses nun in Vorwärtsrichtung vorgespannten p-n-Übergangs beschreibt, diesen Photostrom exakt kompensiert. Die längere Lebensdauer der Minoritätsträger, die es einem größeren Anteil der Elektron-Loch-Paare ermöglicht, bis zur Trennung durch das interne elektrische Feld zu überleben, führt zu einem größeren Photostrom und folglich auch zu einer höheren Leerlauf-Photospannung.

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