Фотогальвани́ческий эффе́кт (фотовольтаический эффект), возникновение электрического тока (фототока) при освещении образца (полупроводника или диэлектрика), включённого в замкнутую цепь, или возникновение электродвижущей силы (эдс) и фотоэдс на освещаемом образце при разомкнутой внешней цепи. Различают два типа фотогальванических эффектов.

Фотогальванические эффекты 1-го типа

Возникают только при генерации светом подвижных носителей заряда одновременно обоих знаков (электронов и дырок) и обусловлены разделением этих носителей в пространстве. Разделение вызывается либо неоднородностью образца (роль неоднородности может играть поверхность), либо неоднородностью освещения (освещение части образца или поглощение света у поверхности). Появление эдс при неоднородном освещении может быть также обусловлено «нагревом» электронов светом. К таким фотогальваническим эффектам относятся эффект Дембера, фотопьезоэлектрический эффект, вентильная фотоэдс, объёмная фотоэдс, высоковольтная фотоэдс.

Эффект Дембера

Эффект Дембера возникает при неоднородном освещении образца из-за различия коэффициентов диффузии электронов и дырок; может возникать и при однородном освещении вследствие различия скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных гранях образца (поверхностные состояния).

Вентильная (барьерная) фотоэдс

Вентильная (барьерная) фотоэдс возникает в результате разделения электронов и дырок электрическим полем приэлектродного барьера Шоттки на контакте металл– полупроводник, полем $\textit{р–n}$-перехода или гетероперехода. Вклад в ток дают носители заряда как генерируемые непосредственно в области $\textit{р–n}$-перехода, так и возбуждаемые в приэлектродных областях и достигающие области сильного поля путём диффузии. В результате разделения пар образуется направленный поток электронов в $\textit{n}$-область и дырок в $\textit{р}$-область. При разомкнутой цепи создаётся эдс в пропускном (прямом) направлении р–n-перехода, компенсирующая этот ток. Фотоэлементы на $\textit{р–n}$-переходах или гетеропереходах используются как высокочувствительные малоинерционные приёмники излучения, а также для прямого преобразования световой энергии в электрическую (см. Солнечная батарея).

Объёмная фотоэдс

Объёмная фотоэдс вызывается разделением пар носителей заряда на неоднородностях в объёме образца, создаваемых изменением концентрации легирующей примеси или изменением химического состава сложных полупроводников. Причиной разделения пар является так называемое встроенное электрическое поле. Оно создаётся в результате изменения положения ферми-уровня, зависящего от концентрации примеси, а в образцах с переменным химическим составом – также в результате изменения ширины запрещённой зоны.

Высоковольтная (аномальная) фотоэдс

Высоковольтная (аномальная) фотоэдс возникает при неоднородном освещении и характеризуется тем, что электрическое поле направлено вдоль поверхности образца. Её величина пропорциональна длине освещённой области и может превышать 10³ В. Одним из её механизмов является поперечный эффект Дембера в условиях, когда диффузионный ток имеет компоненту вдоль поверхности; другой механизм – образование структуры $\textit{p–n–р}$ – $\textit{n}$–$\textit{р}$, выходящей на поверхность. Высоковольтная эдс возникает вследствие суммирования эдс на каждой паре несимметричных $\textit{p}$–$\textit{n}$ и $\textit{n}$–$\textit{р}$-переходов.

Фотогальванические эффекты 2-го типа

Обусловлены асимметрией элементарных процессов фотовозбуждения носителей заряда, их рассеяния и рекомбинации. Эти фотогальванические эффекты не требуют образования пар свободных носителей заряда и наблюдаются как при межзонных переходах, так и при возбуждении носителей с примесей, а также при поглощении света свободными носителями. К таким фотогальваническим эффектам относятся: эффект увлечения электронов фотонами, линейный, циркулярный и поверхностный фотогальванический эффект.

Линейный

Линейный фотогальванический эффект не связан с передачей импульса фотона электронам и поэтому не меняется при изменении направления распространения света на обратное (при фиксированной линейной поляризации). Он обусловлен асимметрией распределения фотоэлектронов, которая создаётся двумя механизмами: баллистическим, связанным с появлением направленного импульса при квантовых переходах, и сдвиговым, обусловленным смещением центра тяжести волнового пакета электрона при квантовых переходах. При этом вклад в ток дают как процессы поглощения света, так и процессы рассеяния и рекомбинации (в состоянии теплового равновесия эти вклады компенсируются).

Циркулярный

Циркулярный фотогальванический эффект возникает в гиротропных кристаллах при освещении циркулярно или эллиптически поляризованным светом и меняет знак при изменении знака поляризации. Причина этого эффекта – корреляция между спином электрона и его импульсом в гиротропных кристаллах. При возбуждении электронов циркулярно поляризованным светом, приводящим к оптической ориентации спинов, они одновременно приобретают и направленный импульс. Наблюдается и обратный эффект – оптическая активность, индуцированная током; она вызывается ориентацией спинов в гиротропных кристаллах при пропускании тока.

Линейный фотогальванический эффект, циркулярный фотогальванический эффект и эффект увлечения используются для создания безынерционных приёмников интенсивного (лазерного) излучения. В диэлектриках линейный фотогальванический эффект является основным механизмом оптической памяти, так как приводит к изменению показателя преломления, сохраняющемуся после выключения света и зависящему от его интенсивности.

Поверхностный

Поверхностный фотогальванический эффект обусловлен рассеянием возбуждаемых светом носителей заряда на поверхности. При межзонном поглощении возникает в условиях, когда значительная часть возбуждаемых носителей может достичь её без рассеяния. В этом случае в результате отражения электронов от поверхности возникает баллистический ток, перпендикулярный к поверхности. В случаях когда при возбуждении носителей происходит их выстраивание по импульсу, может появиться и ток, текущий вдоль поверхности. Для этого необходимо, чтобы средние значения компоненты импульса вдоль поверхности для электронов, двигающихся к поверхности и от неё, не равнялись нулю и отличались знаком. Такое распределение возникает, например, при возбуждении носителей заряда из вырожденной валентной зоны кубических кристаллов в зону проводимости. При неупругом (диффузном) рассеянии на поверхности электроны, достигающие её, теряют направленный импульс вдоль поверхности, тогда как электроны, двигающиеся от поверхности, сохраняют его, что и приводит к возникновению тока вдоль поверхности.

При поглощении или отражении света свободными носителями заряда в полупроводниках и металлах поверхностный фотогальванический эффект возникает при наклонном падении света, а также при нормальном падении, если нормаль к поверхности не совпадает с одной из главных осей кристалла вследствие передачи импульса фотонов электронам.