Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2. Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1-E2 (2.2)
Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngồi, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hố trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó khơng có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống , điện tử của vùng hố trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hố trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia van quá trình dẫn điện.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
eV+hv→ e- + h+ (2.3)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:
hv > Eg = EC – EV (2.4) Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
39
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế.