Фотоэлементом называется полупроводниковый прибор с выпрямляющим р-n -переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.
В данном случае в схеме (рис. 3.12, в, г) отсутствует внешний источник питания. Фотодиод как фотоэлемент может работать в двух режимах: холостого хода ХХ (в) и короткого замыкания КЗ (г).
В режиме холостого хода (рис. 3.12, в) ток через фотодиод отсутствует (внешний источник и нагрузка не подключены). Если облучение отсутствует, то на контактах фотодиода напряжение, естественно, равно нулю U ф = 0.
По мере облучения фотодиода заряд носителей, перешедших через переход (²+² дырок - слева, ²-² электронов - справа), возрастает. За счет этих зарядов образуется дополнительная разность потенциалов между границами p-n -перехода – возникает фото-ЭДС (²+² в р -области). Другими словами, в режиме ХХ (при I = 0) при освещении на границах p-n- перехода появляется заряд, а, значит, на контактах А и К облучаемого фотодиода появляется ЭДС, называемая фото-ЭДС (полярность указана на рис. 3.12, в).
По мере увеличения светового потока Ф и накопления указанного заряда, напряжение холостого хода U хх, отмечаемое на правой части оси абсцисс (рис. 3. 12, д), возрастает. Другими словами, точки пересечения ВАХ с осью напряжения U (при токе ФД, равном нулю) соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжения холостого хода при различных световых потоках Ф.
Фото-ЭДС, равная напряжению U хх(Ф), не может превышать контактной разности потенциалов Dj0: для кремниевых фотодиодов максимальное напряжение U хх не превышает 0,7 В.
В режиме короткого замыкания (рис 3.12, г) контакты фотодиода замыкаются накоротко. В отличие от предыдущего случая, через диод идет ток, так что значениям токов короткого замыкания при различных уровнях освещенности соответствуют точки пересечения ВАХ с нижней осью токов (ось ординат) (рис. 3.12, д).
Заметим, что в режиме короткого замыкания напряжение между контактами А и К фотодиода равно нулю, но ток в диоде равен фототоку, т.е.
I = - I ф = - Si Ф. Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков. Ток короткого замыкания у кремниевых фотоэлементов при средней освещенности солнечным светом равен 20-25 мА/см2.
Поскольку, обычно в режиме работы фотоэлемента фотодиод подключается к произвольной нагрузке (резистор сопротивлением 0 < R < ¥ обозначен пунктиром на рис. 3.12, г), то, очевидно, что реальные случаи включения фотоэлемента описываются ВАХ, лежащими в IY квадранте (рис. 2.16, д, обозначены пунктиром). С учетом этих вольтамперных характеристик при различных освещенностях можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, и таким образом определить оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность.
Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения (фотоприемники), элементы солнечных батарей и т.п.
К основным характеристикам фотодиодов можно отнести: диапазон длин волн активного излучения; интегральную чувствительность Si, темновой ток I т и постоянную времени t.
Обозначение фотодиода состоит из букв ФД и порядкового номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность Si = 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним или расположенным в одном корпусе вместе с фотоприемником.
