Efekt fotoelektryczny (zjawisko fotoelektryczne, fotoefekt) – zjawisko fizyczne polegające na:

1. emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (zjawisko fotoelektryczne zwane również zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym dla odróżnienia od wewnętrznego);

2. przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne), w wyniku naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu.

Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-baza. Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa. Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody, ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.
Fototranzystory wykonuje się najczęściej z krzemu.

Zasada działania fototranzystora

Rys.9.9. Zasada działania fototranzystora.

Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron-dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku przechodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z powodu istniejącej bariery potencjału na złączu baza-emiter. Część z nich jednak przechodzi do emitera, gdyż mają dostatecznie dużą energię kinetyczną i tam ulegają rekombinacji. Natomiast dziury, które nie przeszły powiększają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku czego elektrony z obszaru n pokonują barierę zwiększając strumień elektronów przechodzących z emitera do bazy, a potem do kolektora. Elektrony te zwiększają prąd kolektora w znacznie większym stopniu, niż elektrony które powstały w wyniku generacji par elektron-dziura bezpośrednio w obszarze bazy pod wpływem oświetlenia. W ten sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego I_P.

Charakterystyka prądowo – napięciowa. Jest ona identyczna z kształtem konwencjonalnego tranzystora. Ze wzrostem temperatury złącza zwiększa się prąd ciemny i prąd fotoelektryczny. Wartość prądu ciemnego zależy od napięcia UCE.
Przypatrując się charakterystyce czułości widmowej (rys. 9.11a) zauważamy, że jest bardzo zbliżona do analogicznych charakterystyk fotodiod.
Z charakterystyki odczytujemy, że czułość fototranzystora zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji. Istotny wpływ na czułość ma kierunek padającego promieniowania.

Rys. 9.11. Fototranzystor: a) charakterystyka prądowo – napięciowa, b)charakterystyka czułości widmowej.

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I₀ wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego

Rys. 9.7. Zasada działania fotodiody.

Rys. 9.8. Charakterystyki prądowo – napięciowej fotodiody

ZASADA DZIAŁANIA FOTODIODY

Przy oświetleniu fotodiody w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze (rys.9.7a). Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny I_P. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia.