M5 Fotovoltaica e Fotodetecção

Tópico

Um fóton com energia suficiente, superior à energia de banda proibida deste material semicondutor (conforme definido por outro modelo deste sistema), gera, de acordo com a lei de Beer-Lambert que rege a absorção deste fóton ao penetrar no semicondutor, um par elétron-lacuna: a energia deste fóton absorvido excita um elétron da banda de valência para a banda de condução deste semicondutor, deixando para trás, na mesma banda de valência, a lacuna correspondente a este par elétron-lacuna. O fato de este material semicondutor absorver uma fração maior desses fótons com energia suficiente, de acordo com a lei de Beer-Lambert, significa que este par elétron-lacuna é consequentemente gerado com maior frequência em seu interior.

O campo elétrico interno da junção p-n, que estabelece outro modelo deste sistema, separa este par elétron-lacuna antes que os dois portadores de carga possam se recombinar. Esse mesmo campo elétrico interno atrai o elétron desse par elétron-lacuna para um lado da junção p-n e a lacuna para o lado oposto, e é essa atração em direções opostas que produz a fotocorrente desse material semicondutor. O fato de esse par elétron-lacuna ser gerado mais próximo da junção p-n, dentro do alcance desse campo elétrico interno, torna essa separação mais eficiente e, consequentemente, a fotocorrente é maior. Por outro lado, a menor vida útil dos portadores minoritários nesse material semicondutor, que estabelece um modelo diferente para esse sistema, significa que uma fração maior desses pares elétron-lacuna se recombina antes de ser separada por esse campo elétrico interno e, consequentemente, a fotocorrente é menor.

Portanto, esse modelo, com o par elétron-lacuna e a fotocorrente que o abriu, produz, quando essa fotocorrente flui em condições de circuito aberto (sem nenhum caminho externo pelo qual possa fluir efetivamente), uma fotovoltagem — a tensão de circuito aberto desse dispositivo. Sem esse caminho externo disponível, essa fotocorrente se acumula como uma polarização direta crescente na junção p-n, reduzindo progressivamente o potencial de contato dessa mesma junção até que a corrente do diodo, que já descreve o modelo de Shockley para essa junção p-n, agora polarizada diretamente, cancele exatamente essa fotocorrente. O fato de a vida útil desse portador minoritário ser maior, permitindo que uma fração maior desses pares elétron-buraco sobreviva até a separação pelo campo elétrico interno, faz com que essa fotocorrente seja maior e, consequentemente, essa fotovoltagem de circuito aberto também seja maior.

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