1.1Б сурет. Бос жүріс режиміндегі жарықтандыру кезіндегі p-n ауысудың зоналық энергетикалық диаграммасы.

Контакты маңындағы n- және p-облыстарының энергетикалық диаграммаларына назар аударамыз. Олар заряд тасушылардың ағынына кедергі келтіретін энергетикалық барьер болмаған жағдайда идеалды түзетпейтін (яғни, омдық) металл және шалаөткізгіш арасындағы контактыларға сәйкес келеді. Бұл контакты маңындағы n- және p-облыстарының қатты легірленуі нәтижесінде, E_c-E_f және E_f-E_v нөлге тең боған жағдайда, сонымен қатар, Ферми деңгейі шалаөткізгіштегі Ферми деңгейінің биіктігімен тең болатын металлдарды таңдау (n- және p-облыстарының әр түрлі контактылары үшін) нәтижесінде болады.

p-n ауысудың тұйықталмаған сыртқы тізбегі кезінде (1.1 б сурет) фотоэлектрондар n-облысқа түсе отырып, сонда жинақталады және n-облысты теріс зарядтайды. p-облыста қалған артық кемтіктер p-облысты оң зарядтайды. Осылайша пайда болған потенциалдар айырымы U_x.x бос жүріс кернеуі болып табылады. U_x.x-тің полярлығы p-n ауысуының тура ауысуына сәйкес келеді.

U_x.x шамасы U_k контактылық потенциалдар айырымынан әрдайым аз болады, бұл p-n ауысудың диаграммасында E_с «сатысы» әрдайым сақталады дегенді білдіреді. Өткізгіштік зонаның түбінде орналасатын электрондардың потенциалдық энергиясы p-облыстағыға қарағанда n-облыста азырақ. Бұл фотоэлектрондардың p-облыстан n-облысқа эффективті тартылуының себебі болып табылады. Осылайша, фотоэлектрондар ағыны p-n ауысудың ауысу кернеуіне тәуелді болмайды.

1.1В сурет. Жүктеме кедергісіне жалғану режиміндегі жарықтандыру кезіндегі p-n ауысудың зоналық энергетикалық диаграммасы.

Жарық арқылы генерацияланған заряд тасушылардың ағынын I_ф туғызады. I_ф шамасы бірлік уақытта p-n ауысудан өткен фотогенерацияланған заряд тасушылардың санына тең:

, (1.1)

мұндағы, P_и –жұтылған монохроматты сәулеленудің қуаты. Мұнда шалаөткізгіште жұтылған энергиялы фотон лектронды-кемтіктік жұпты жасайтыны болжанады. Әдетте, бұл шарт Si және GaAs негізінде жасалған күн элементтері үшін орындалады.

Күн элементтеріндегі ішкі нөлдік омдық шығындар кезінде қысқа тұйықталу режимі (1.1а сурет) p-n ауысудың нөлдік ауысу кернеуіне эквивалентті, сондықтан I_кз қысқа тұйықталу тогы фототокқа тең:

I_кз =I_ф , (1.2)

Бос жүріс режимінде (1.1б сурет) фототок шамасы U_x.x болатын ауысу кернеуі кезінде пайда болатын p-n ауысу арқылы өтетін «қараңғы» токпен (I_қ – тура ток) теңеседі. (1.3), ескере отырып, қараңғы токтың абсолютті мәндері үшін мынаны аламыз:

, (1.4)

Бұдан ( кезінде)

, (1.5)

Рекомбинация актісі кезінде электрон-кемтік жұбының потенциал энергиясы не фотондардың сәулеленуі кезінде бөлініп шығады,не кристалдық тордың қызуынан шашырайды.Бұл екі процестер схематикалық түрде 1.1,б суретінде қосымша стрелкалармен көрсетілген.Осылайша,күн элементінің бос жүріс режимі светодиодтардың жұмыс режиміне және өткізу бағытындағы түзеткіш диодтарға эквивалентті.

Жарықтандырылған p-n ауысуындағы ВАС-ның жалпы теңдеуін табайық.Бұл үшін,оған варьирлеуші кернеумен қорек көзі жалғанған деп есептейік.Кернеудің тура ауысуында фототок I_ф p-n ауысуындағы қараңғылық(темнового)тогынан бөлініп шығады.Ал кері ауысуында-бірге суммаланады.(1.2) және (1.4) теңдеулерін қоса отырып ВАС үшін мынадай теңдеу алынады:

(1.6)

Жарықтандырылған p-n ауысуының ВАС-ы барлық қараңғылық ВАС-ы токтың төменгі осі бойынша I_Ф -ға ауысуынан алынуы мүмкін,1.2 суретінде көрсетілген.Мұнда сандық мәліметтер зерттелінетін элементтегі p-n ауысуына сай келеді.Мысалы, 1см² аумақты AgSi-p фототок мәні I_ф =0 (темновая ВАС) сай келеді,және де әртүрлі жарықтандыруда. Маңыздысы,IV квадратында(1.2сур.) p-n ауысуы арқылы өткен токтың бағыты берілген кернеу жазықтығына қарама-қарсы,сондай-ақ жарықтандырылған p-n ауысуының өзі-энергия көзі болып табылады.Қысқа тұйықталу режиміне p-n ауысуындағы нөлдік кернеу ауысуы нүктесіне сай келеді,ал бос жүріс режиміне p-n ауысуындағы нөлдік ток ауысуы нүктесіне сай келеді.

ВАС-ның қимасы,IV квадратта орналасқан,p-n ауысуына жүктеменің варьирлеуші кедергісі жалғануымен өлшенеді(1.1,в сур.).Жүктемедегі токтың бағыты фототок бағытымен сай келеді.Ал жүктемедегі ток I_н p-n ауысуындағы нәтижелеуші токқа сай келеді(1.6). I_ф бағытын оң деп алып, I_н теңдеуі былай болады:

(1.7)

Мұндағы, U_н - p-n ауысуының кернеуіне тең жүктемедегі кернеу.

(1.7)теңдеу жарықтандырылған p-n ауысуындағы жүктемелі ВАС-ны сипаттайды. F=250 Lx тең кремнийлі p-n ауысуының жүктемелік ВАС-ы 1.3 суретінде көрсетілген.Жүктемелі ВАС-ның белгілі параметрлері және берілген R_н, I_н, U_н мәндері (1.7) теңдеуіне сай тізбектей жуықталған және немесе графикалық.

Қараңғы ток негізгі емес заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясы есебінен пайда болады (біздің жағдайда p-облыстағы кемтіктердің). Рекомбинацияның орындалуы кезінде электронды-кемтіктік жұптардың потенциалдық энергиясы R_н өсуі кезінде жүктеме арқылы ток азаяды. Себебі p-n ауысудың тура ауысуын өсіру арқылы жүктемені шунттайды. Осылайша, жарықтанған p-n ауысу (1.6)-ге сәйкес 1.4 эквивалентті схема түрінде көрініс табуы мүмкін.