dispositivi fotorivelatori e fotovoltaici

Dispositivi fotorivelatori e fotovoltaici

Entrambi, fotorivelatori e fotovoltaici, sono dispositivi basati sulla giunzione pn. Per comprenderne il funzionamento abbiamo bisogno di guardare a cosa succede quando la luce illumina una giunzione pn.

Consideriamo allora una giunzione pn non polarizzata (vedi figura) e immaginiamo che la luce colpisca direttamente sulla regione di svuotamento: verrà a crearsi una coppia elettrone-lacuna. Poichè entrambi sono soggetti allo stesso campo elettrico (intrinseco), l’elettrone si muoverà in una direzione e la lacuna in direzione opposta. Più precisamente, il campo elettrico agirà in modo che l’elettrone sia spinto verso la zona n e la lacuna verso la zona p, contribuendo in tal modo alla generazione di una corrente inversa (corrente fotogenerata) che potrà circolare nel circuito esterno.

Effetto della luce quando colpisce una giunzione pn
Effetto della luce quando colpisce una giunzione pn

Riflettiamo invece su cosa accade quando la luce colpisce al di fuori della regione di svuotamento, per esempio sulla zona n. Anche in questo verrà generata una coppia elettrone-lacuna, ma questa volta non esiste alcun campo elettrico a spingere le cariche.

La lacuna si diffonde allora con moto browniano e, se riesce a raggiungere la regione di svuotamento, si comporterà come nel caso visto in precedenza andando a contribuire alla corrente esterna.

Nel caso dell’elettrone, invece, si assiste ad un “nulla di fatto”: infatti se anche esso riuscisse a diffondere nella regione di svuotamento, incontrerebbe un campo elettrico di segno tale da opporsi al suo moto. Quindi solo il portatore di minoranza contribuisce alla corrente inversa nella giunzione pn, contribuendo alla corrnte esterna fotogenerata.

Discorso analogo si può fare se la luce colpisce invece la zona p. In questo caso, tuttavia, sarà l’elettrone che potrà diffondere in zona di svuotamento contribuendo alla corrente esterna.

Dunque la luce produce una corrente inversa nella giunzione pn. La domanda è: a quale distanza dalla giunzione possiamo sperare di catturare queste cariche? E la risposta è che tale distanza è nell’ordine di Lp o di Ln, ovvero le rispettive lunghezze di diffusione delle cariche minoritarie. All’interno di una zona di lunghezza Ln (o Lp) abbiamo la possibilità che la carica minoritaria raggiunga la regione di svuotamento contribuendo alla corrente esterna. Al di fuori di tale distanza, le coppie elettrone-lacuna generate dalla luce si limiteranno a diffondere per un breve periodo prima di ricombinarsi. Nessuna corrente verrà quindi generata in questo caso.

La modifica della curva I-V in condizioni di luce.
La modifica della curva I-V in condizioni di luce.

Quanto detto ci consente di comprendere come si modificherà la caratteristica I-V in condizione di luce. Infatti, data una curva I-V in condizioni di buio, come quella in figura, le condizioni di luce generano una ulteriore corrente inversa. La caratteristica risulterà allora traslata verso il basso: il valore Ig corrisponde alla fotocorrente generata. Il tutto dipenderà ovviamente dalla quantità di luce incidente.

Osserviamo adesso la regione della curva marcata in colore rosso, in condizioni di giunzione illuminata: in questa regione tensione e corrente hanno segno opposto, dove V è positiva mentre I è negativa. Il prodotto IV, ovvero la potenza, risulta allora negativa, in questa regione stiamo generando potenza per effetto fotovoltaico. Dunque un dispositivo fotovoltaico dovrà operare in questa regione di piano, cioè nel quarto quadrante.

Adesso poniamoci invece in un punto appartenente al terzo quadrante, per esempio in corrispondenza della tensione inversa Vr. In condizioni di buio, avremo una piccola corrente inversa, approssimativamente Io. Se ora passiamo in condizioni di luce, alla stessa tensione Vr si verifica un notevole aumento di corrente, ed è questo cambiamento che saremo in grado di rilevare. Dunque, un dispositivo fotorivelatore (una cellula fotoelettrica o un fotodiodo) dovrà operare in questa zona della caratteristica, in modo che applicando una tensione inversa Vr, potremo notare un notevole aumento di corrente nel passaggio dalla condizione di buio a quella di luce.

In quest’ultimo caso (terzo quadrante), il prodotto IV è positivo e quindi stiamo consumando energia. Tuttavia, in questo modo, avremo a disposizione un fotorivelatore molto sensibile, soprattutto se la giunzione pn è stata progettata in modo da avere una corrente Io molto piccola (corrente di saturazione inversa). Poichè questa corrente può essere, con una scelta accurata dei parametri del dispositivo e a temperatura ambiente, dell’ordine dei nA, saremo in grado di rivelare, in condizioni di luce, una corrente centinaia o migliaia di volte maggiore rispetto a quella di buio, ottenendo così un fotorivelatore molto sensibile.