Доклад по физике
На тему: Полупроводниковые фотоэлементы
Выполнил: Гросс Д.А.
Проверила: Нюхалова Н.П.
Новосибирск 2010
Полупроводниковые фотоэлементы
Определение. Полупроводниковыми фотоэлементами называют приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фото-э. д. с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком. Фотоэлементы являются преобразователями энергии светового потока в электрическую энергию и используются как источники э.д.с. для питания различных радиоэлектронных устройств, в приборах автоматики др.Устройство селенового и кремниевого фотоэлементов схематически показано на рис. 14-8. На массивную металлическую пластину толщиной 1—2 мм методом термического испарения в вакууме наносят слой р-селена (p—Se) и прогревают пластину при Т = 200 — 210° С. На слой селена затем напыляют тонкую пленку кадмия (Cd), галлия (Ga) или индия (In). При последующей термической обработке на поверхности кристалла Se образуется тонкий слой (около 50 мкм) селенистого соединения напыленного металла, обладающего n-проводимостью. На границе образовавшегося селенида и р—Se формируется электронно-дырочный переход. Тонкий напыленный слой металла полупрозрачен и служит вторым электродом, с которым соединяется кольцеобразный металлический контакт.Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина п—Si толщиной 0,3—1 мм, на поверхности которой путем диффузии бора или алюминия создается слой р—Si толщиной 0,4—1 мкм. На границе этого слоя с п—Si образуется р-п переход с толщиной запирающего слоя I w 0,05 мкм. Контакты со слоем р—Si создаются путем вакуумного напыления пленки титана, защищаемого затем тонкой пленкой серебра. Пленка напыляемого металла полупрозрачна. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой осуществляется. контакт с пластиной п—Si.Характеристики и параметры фотоэлементов. Энергетическая характеристика фотоэлемента показала на рис. 14-9, аПри = 0 зависимость = f (Ф) должна быть согласно (14-21) линейной, однако с увеличением светового потока характеристика отклоняется от линейного закона. Это объясняется влиянием сопротивления перехода и сопротивления — объема полупроводника, показанных на эквивалентной схеме фотоэлемента (рис. 14-10), на которой процесс световой генерации пар зарядов представлен эквивалентным генератором тока.
Для этой схемы в соответствии с законом Кирхгофа можно записать: При малых значениях светового потока, следовательно, и световая характеристика почти линейна. С увеличением светового потока сопротивление перехода уменьшается и зависимость I == I (Ф) все больше отклоняется от линейной.Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента показано на рис. 14-9, б. Эти кривые представляют собой участок вольт-амперных характеристик облученного р-п перехода (см. рис. 14-7). При заданном световом потоке, например, характеристика отсекает на оси ординат отрезок, равный фототоку а на оси абсцисс — отрезок, равный величине фото — э. д. с..На семействе вольт-амперных характеристик может быть построена нагрузочная характеристика — прямая, идущая из начала координат, — угла наклона которой к оси абсцисс пропорционален сопротивлению. Точка пересечения нагрузочной характеристики с вольт-амперной характеристикой определяет рабочую точку А, координаты которой соответствуют величинам тока I во внешней цепи и напряжения на зажимах резистора Площадь прямоугольника, ограниченного осями ординат и перпендикулярами, опущенными к ним из рабочей точки, пропорциональна мощности, выделяемой во внешней цепи.Относительные спектральные характеристики основных типов промышленных фотоэлементов показаны на рис. 14-11, где нанесены также кривые энергии солнечного излучения, относительного числа фотонов в потоке солнечного света и видности глаза.Частотная характеристика дает представление об инерционных свойствах фотоэлемента при облучении его световым потоком, модулированным по интенсивности по синусоидальному закон с частотой /. Как видно из рис. 14-12, с увеличением частот чувствительность фотоэлемента падает что определяется инерционными свойствами фотоэлемента, в основном постоянной времени перезаряда барьерной емкости р-п перехода. На частотно характеристике отмечено значение граничной частоты, при которой чувствительность уменьшается в раз по сравнению ее значением при f = 0.Полупроводниковые фотоэлементы могут использоваться в качестве источников электрической энергии, а также в качестве фотоприемников.В последнем случае наиболее важна их спектральная характеристика, а также такие параметры, как пороговый поток обнаружительная способность D, смысл которых рассматривался в § 14-4.Для фотоэлементов, используемых как источники электроэнергии, наиболее важное значение имеют вольт -амперная характеристика и коэффициент полезного действия, значение которого определяет эффективность преобразования световой энергии в электрическую: Значение к. п. д. фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые в первую очередь коэффициентом отражения. Отраженная часть световой энергии не участвует в процессе преобразования. К световым потерям относят также ту часть фотонов, которая при поглощении не создает пар носителей электрических зарядов (поглощение решеткой, свободными носителями зарядов, экситонное поглощение и др.). Процесс преобразования сопровождается также энергетическими потерями. К их числу относятся процессы рекомбинации, образования пар зарядов на расстоянии от запирающего слоя, превышающем длину диффузии, потери в сопротивлении перехода, объема полупроводника и др.Коэффициент полезного действия фотоэлемента увеличивается с ростом светового потока и фотоэлектродвижущей силы. Однако при больших значениях Ф с ростом концентрации свободных носителей возрастает вероятность их рекомбинации, а также снижается коэффициент собирания к. Кроме того, в результате разогрева прибора при больших Ф увеличивается ток, что также служит причиной снижения к. п. д.Рост фото — э.д.с. и напряжения ограничен высотой потенциального барьера перехода. Увеличения напряжения можно достигнуть при использовании полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной и высокой степенью легирования. В этом случае уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости в n-полупроводнике и к потолку валентной зоны в p-полупроводнике, следовательно, -Теоретическое значение к. п. д. при приближается к 25%.Задача выбора оптимального полупроводникового материала приобретает особое значение при разработке преобразователей солнечной энергии, характеризуемой весьма широким спектром. Этот вопрос мы более подробно рассмотрим ниже при обсуждении параметров фотоэлементов различных типов.Параметры фотоэлементов различных типов. Основными типами фотоэлементов, используемых в качестве фотогальванических приемников излучения, служат селеновые и сернистосеребряные фотоэлементы. Устройство селенового фотоэлемента было показано на рис. 14-8, а. Эти фотоэлементы используются в основном в кино — и фотоаппаратуре, так как их спектральная характеристика близка к кривой видности глаза (рис. 14-11, а).Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов. Фото-э.д.с. этих элементов не превышает 0,5—0,6 В. Значение граничной частоты составляет несколько сотен герц.В сернистосеребряных фотоэлементах электрический переход образуется между полупрозрачной пленкой золота и пленкой сернистого серебра, нанесенной на металлическую подложку. Эти фотоэлементы чувствительны к излучениям в длинноволновой части видимого спектра и в инфракрасной области.
Интегральная чувствительность этих приборов мА/лм. Эти фотоэлементы, как и селеновые, характеризуются низким значением к. п. д. (1—2%) и поэтому не используются как источники электроэнергии. Одна из причин столь низкого к. п. д.— малая диффузионная длина в поликристаллических полупроводниковых пленках.В качестве фотоприемников для обнаружения и регистрации малых световых сигналов применяются фотогальванические элементы на основе монокристаллических полупроводников германия и кремния, а также полупроводниковых соединений: антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др. Электрические переходы в таких приборах получают путем сплавления (например, индия и n-германия) или методом локальной диффузии примесей.Для усиления малых электрических сигналов, получаемых при регистрации слабых световых потоков, желательно увеличить сопротивление нагрузки, включаемой во внешнюю цепь. Однако увеличение сопротивления ограничено внутренним сопротивлением прибора, зависящим от сопротивления перехода при обратном включении. При энергетическая характеристика получается более линейной (см. рис. 14-9) и снижается постоянная времени перезаряда барьерной емкости.С этой точки зрения кремниевые фотоэлементы предпочтительней германиевых, так как ширина запрещенной зоны кремния ( эВ) примерно в полтора раза больше, чем у германия, и, следовательно, меньше обратный ток. Германиевые приборы по этой причине используются при охлаждении да температуры жидкого азота (77 К).Кремниевые приборы наиболее чувствительны к излучениям с длиной волны 0,8 мкм; длинноволновая граница этих приборов 1,1 мкм; удельная обнаружительная способность D*.Для работы в инфракрасной области спектра применяются фотогальванические приёмники из материалов с относительно узкой запрещенной зоной (InSb и InAs). Параметры фотоприемника, изготовленного из антимонида индия, следующие: максимальная чувствительность соответствует излучению с длиной волны 5,5 мкм; удельная обнаружительная способность D*. В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца. Спектральная характеристика полупроводникового материала во многом зависит от ширины запрещенной зоны -Как видно из рис. 14-11, б, спектральная характеристика кремния достаточна близка к спектру солнечного излучения. В необходимой мере отвечает этим требованиям и спектральная характеристика сульфида кадмия.Второе важное требование — максимальный к. п. д. Как уже отмечалось, значение к. п. д. зависит от многих факторов. Можно показать tl4], что при согласованной нагрузке () Отсюда следует, что материал для солнечной батареи должен обладать максимальной чувствительностью и высоким значением — Эти условия в совокупности с первым требованием к спектральной характеристике позволяют определить оптимальную ширину запрещенной зоны:. Оптимальным с этой точки зрения является арсенид галлия (эВ), в достаточной степени удовлетворяют этим условиям кремний ( эВ) и сульфид кадмия ( эВ). Эти материалы в основном и используются при изготовлении солнечных батарей. Устройство кремниевого элемента было показано на рис. 14-8, б. Коэффициент полезного действия кремниевых солнечных батарей достигает 15—19%, а батарей на основе арсенида галлия 13%. Недостатками солнечных элементов этого типа (изготовленных на основе монокристаллов) являются невозможность получения большой рабочей поверхности (больше нескольких квадратных сантиметров), а также невысокое отношение мощности на выходе элемента к его массе — около 50 Вт/кг. Пленочные солнечные элементы на основе сульфида кадмия отличаются более высоким отношением мощности к массе (около 200 Вт/кг) и большей рабочей поверхностью, но более низким к. п. д. (около 8%).
www.ronl.ru
Доклад по физике
На тему: Полупроводниковые фотоэлементы
Выполнил: Гросс Д.А.
Проверила: Нюхалова Н.П.
Новосибирск 2010
Полупроводниковые фотоэлементы
Определение. Полупроводниковыми фотоэлементами называют приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фото-э. д. с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком. Фотоэлементы являются преобразователями энергии светового потока в электрическую энергию и используются как источники э.д.с. для питания различных радиоэлектронных устройств, в приборах автоматики др.Устройство селенового и кремниевого фотоэлементов схематически показано на рис. 14-8. На массивную металлическую пластину толщиной 1—2 мм методом термического испарения в вакууме наносят слой р-селена (p—Se) и прогревают пластину при Т = 200 — 210° С. На слой селена затем напыляют тонкую пленку кадмия (Cd), галлия (Ga) или индия (In). При последующей термической обработке на поверхности кристалла Se образуется тонкий слой (около 50 мкм) селенистого соединения напыленного металла, обладающего n-проводимостью. На границе образовавшегося селенида и р—Se формируется электронно-дырочный переход. Тонкий напыленный слой металла полупрозрачен и служит вторым электродом, с которым соединяется кольцеобразный металлический контакт.Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина п—Si толщиной 0,3—1 мм, на поверхности которой путем диффузии бора или алюминия создается слой р—Si толщиной 0,4—1 мкм. На границе этого слоя с п—Si образуется р-п переход с толщиной запирающего слоя I w 0,05 мкм. Контакты со слоем р—Si создаются путем вакуумного напыления пленки титана, защищаемого затем тонкой пленкой серебра. Пленка напыляемого металла полупрозрачна. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой осуществляется. контакт с пластиной п—Si.Характеристики и параметры фотоэлементов. Энергетическая характеристика фотоэлемента показала на рис. 14-9, аПри = 0 зависимость = f (Ф) должна быть согласно (14-21) линейной, однако с увеличением светового потока характеристика отклоняется от линейного закона. Это объясняется влиянием сопротивления перехода и сопротивления — объема полупроводника, показанных на эквивалентной схеме фотоэлемента (рис. 14-10), на которой процесс световой генерации пар зарядов представлен эквивалентным генератором тока.
Для этой схемы в соответствии с законом Кирхгофа можно записать: При малых значениях светового потока, следовательно, и световая характеристика почти линейна. С увеличением светового потока сопротивление перехода уменьшается и зависимость I == I (Ф) все больше отклоняется от линейной.Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента показано на рис. 14-9, б. Эти кривые представляют собой участок вольт-амперных характеристик облученного р-п перехода (см. рис. 14-7). При заданном световом потоке, например, характеристика отсекает на оси ординат отрезок, равный фототоку а на оси абсцисс — отрезок, равный величине фото — э. д. с..На семействе вольт-амперных характеристик может быть построена нагрузочная характеристика — прямая, идущая из начала координат, — угла наклона которой к оси абсцисс пропорционален сопротивлению. Точка пересечения нагрузочной характеристики с вольт-амперной характеристикой определяет рабочую точку А, координаты которой соответствуют величинам тока I во внешней цепи и напряжения на зажимах резистора Площадь прямоугольника, ограниченного осями ординат и перпендикулярами, опущенными к ним из рабочей точки, пропорциональна мощности, выделяемой во внешней цепи.Относительные спектральные характеристики основных типов промышленных фотоэлементов показаны на рис. 14-11, где нанесены также кривые энергии солнечного излучения, относительного числа фотонов в потоке солнечного света и видности глаза.Частотная характеристика дает представление об инерционных свойствах фотоэлемента при облучении его световым потоком, модулированным по интенсивности по синусоидальному закон с частотой /. Как видно из рис. 14-12, с увеличением частот чувствительность фотоэлемента падает что определяется инерционными свойствами фотоэлемента, в основном постоянной времени перезаряда барьерной емкости р-п перехода. На частотно характеристике отмечено значение граничной частоты, при которой чувствительность уменьшается в раз по сравнению ее значением при f = 0.Полупроводниковые фотоэлементы могут использоваться в качестве источников электрической энергии, а также в качестве фотоприемников.В последнем случае наиболее важна их спектральная характеристика, а также такие параметры, как пороговый поток обнаружительная способность D, смысл которых рассматривался в § 14-4.Для фотоэлементов, используемых как источники электроэнергии, наиболее важное значение имеют вольт -амперная характеристика и коэффициент полезного действия, значение которого определяет эффективность преобразования световой энергии в электрическую: Значение к. п. д. фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые в первую очередь коэффициентом отражения. Отраженная часть световой энергии не участвует в процессе преобразования. К световым потерям относят также ту часть фотонов, которая при поглощении не создает пар носителей электрических зарядов (поглощение решеткой, свободными носителями зарядов, экситонное поглощение и др.). Процесс преобразования сопровождается также энергетическими потерями. К их числу относятся процессы рекомбинации, образования пар зарядов на расстоянии от запирающего слоя, превышающем длину диффузии, потери в сопротивлении перехода, объема полупроводника и др.Коэффициент полезного действия фотоэлемента увеличивается с ростом светового потока и фотоэлектродвижущей силы. Однако при больших значениях Ф с ростом концентрации свободных носителей возрастает вероятность их рекомбинации, а также снижается коэффициент собирания к. Кроме того, в результате разогрева прибора при больших Ф увеличивается ток, что также служит причиной снижения к. п. д.Рост фото — э.д.с. и напряжения ограничен высотой потенциального барьера перехода. Увеличения напряжения можно достигнуть при использовании полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной и высокой степенью легирования. В этом случае уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости в n-полупроводнике и к потолку валентной зоны в p-полупроводнике, следовательно, -Теоретическое значение к. п. д. при приближается к 25%.Задача выбора оптимального полупроводникового материала приобретает особое значение при разработке преобразователей солнечной энергии, характеризуемой весьма широким спектром. Этот вопрос мы более подробно рассмотрим ниже при обсуждении параметров фотоэлементов различных типов.Параметры фотоэлементов различных типов. Основными типами фотоэлементов, используемых в качестве фотогальванических приемников излучения, служат селеновые и сернистосеребряные фотоэлементы. Устройство селенового фотоэлемента было показано на рис. 14-8, а. Эти фотоэлементы используются в основном в кино — и фотоаппаратуре, так как их спектральная характеристика близка к кривой видности глаза (рис. 14-11, а).Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов. Фото-э.д.с. этих элементов не превышает 0,5—0,6 В. Значение граничной частоты составляет несколько сотен герц.В сернистосеребряных фотоэлементах электрический переход образуется между полупрозрачной пленкой золота и пленкой сернистого серебра, нанесенной на металлическую подложку. Эти фотоэлементы чувствительны к излучениям в длинноволновой части видимого спектра и в инфракрасной области.
Интегральная чувствительность этих приборов мА/лм. Эти фотоэлементы, как и селеновые, характеризуются низким значением к. п. д. (1—2%) и поэтому не используются как источники электроэнергии. Одна из причин столь низкого к. п. д.— малая диффузионная длина в поликристаллических полупроводниковых пленках.В качестве фотоприемников для обнаружения и регистрации малых световых сигналов применяются фотогальванические элементы на основе монокристаллических полупроводников германия и кремния, а также полупроводниковых соединений: антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др. Электрические переходы в таких приборах получают путем сплавления (например, индия и n-германия) или методом локальной диффузии примесей.Для усиления малых электрических сигналов, получаемых при регистрации слабых световых потоков, желательно увеличить сопротивление нагрузки, включаемой во внешнюю цепь. Однако увеличение сопротивления ограничено внутренним сопротивлением прибора, зависящим от сопротивления перехода при обратном включении. При энергетическая характеристика получается более линейной (см. рис. 14-9) и снижается постоянная времени перезаряда барьерной емкости.С этой точки зрения кремниевые фотоэлементы предпочтительней германиевых, так как ширина запрещенной зоны кремния ( эВ) примерно в полтора раза больше, чем у германия, и, следовательно, меньше обратный ток. Германиевые приборы по этой причине используются при охлаждении да температуры жидкого азота (77 К).Кремниевые приборы наиболее чувствительны к излучениям с длиной волны 0,8 мкм; длинноволновая граница этих приборов 1,1 мкм; удельная обнаружительная способность D*.Для работы в инфракрасной области спектра применяются фотогальванические приёмники из материалов с относительно узкой запрещенной зоной (InSb и InAs). Параметры фотоприемника, изготовленного из антимонида индия, следующие: максимальная чувствительность соответствует излучению с длиной волны 5,5 мкм; удельная обнаружительная способность D*. В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца. Спектральная характеристика полупроводникового материала во многом зависит от ширины запрещенной зоны -Как видно из рис. 14-11, б, спектральная характеристика кремния достаточна близка к спектру солнечного излучения. В необходимой мере отвечает этим требованиям и спектральная характеристика сульфида кадмия.Второе важное требование — максимальный к. п. д. Как уже отмечалось, значение к. п. д. зависит от многих факторов. Можно показать tl4], что при согласованной нагрузке () Отсюда следует, что материал для солнечной батареи должен обладать максимальной чувствительностью и высоким значением — Эти условия в совокупности с первым требованием к спектральной характеристике позволяют определить оптимальную ширину запрещенной зоны:. Оптимальным с этой точки зрения является арсенид галлия (эВ), в достаточной степени удовлетворяют этим условиям кремний ( эВ) и сульфид кадмия ( эВ). Эти материалы в основном и используются при изготовлении солнечных батарей. Устройство кремниевого элемента было показано на рис. 14-8, б. Коэффициент полезного действия кремниевых солнечных батарей достигает 15—19%, а батарей на основе арсенида галлия 13%. Недостатками солнечных элементов этого типа (изготовленных на основе монокристаллов) являются невозможность получения большой рабочей поверхности (больше нескольких квадратных сантиметров), а также невысокое отношение мощности на выходе элемента к его массе — около 50 Вт/кг. Пленочные солнечные элементы на основе сульфида кадмия отличаются более высоким отношением мощности к массе (около 200 Вт/кг) и большей рабочей поверхностью, но более низким к. п. д. (около 8%).
www.ronl.ru
Доклад по физике
На тему: Полупроводниковые фотоэлементы
Выполнил: Гросс Д.А.
Проверила: Нюхалова Н.П.
Новосибирск 2010
Полупроводниковые фотоэлементы
Определение. Полупроводниковыми фотоэлементами называют приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фото-э. д. с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком. Фотоэлементы являются преобразователями энергии светового потока в электрическую энергию и используются как источники э.д.с. для питания различных радиоэлектронных устройств, в приборах автоматики др.Устройство селенового и кремниевого фотоэлементов схематически показано на рис. 14-8. На массивную металлическую пластину толщиной 1—2 мм методом термического испарения в вакууме наносят слой р-селена (p—Se) и прогревают пластину при Т = 200 — 210° С. На слой селена затем напыляют тонкую пленку кадмия (Cd), галлия (Ga) или индия (In). При последующей термической обработке на поверхности кристалла Se образуется тонкий слой (около 50 мкм) селенистого соединения напыленного металла, обладающего n-проводимостью. На границе образовавшегося селенида и р—Se формируется электронно-дырочный переход. Тонкий напыленный слой металла полупрозрачен и служит вторым электродом, с которым соединяется кольцеобразный металлический контакт.Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина п—Si толщиной 0,3—1 мм, на поверхности которой путем диффузии бора или алюминия создается слой р—Si толщиной 0,4—1 мкм. На границе этого слоя с п—Si образуется р-п переход с толщиной запирающего слоя I w 0,05 мкм. Контакты со слоем р—Si создаются путем вакуумного напыления пленки титана, защищаемого затем тонкой пленкой серебра. Пленка напыляемого металла полупрозрачна. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой осуществляется. контакт с пластиной п—Si.Характеристики и параметры фотоэлементов. Энергетическая характеристика фотоэлемента показала на рис. 14-9, аПри = 0 зависимость = f (Ф) должна быть согласно (14-21) линейной, однако с увеличением светового потока характеристика отклоняется от линейного закона. Это объясняется влиянием сопротивления перехода и сопротивления — объема полупроводника, показанных на эквивалентной схеме фотоэлемента (рис. 14-10), на которой процесс световой генерации пар зарядов представлен эквивалентным генератором тока.
Для этой схемы в соответствии с законом Кирхгофа можно записать: При малых значениях светового потока, следовательно, и световая характеристика почти линейна. С увеличением светового потока сопротивление перехода уменьшается и зависимость I == I (Ф) все больше отклоняется от линейной.Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента показано на рис. 14-9, б. Эти кривые представляют собой участок вольт-амперных характеристик облученного р-п перехода (см. рис. 14-7). При заданном световом потоке, например, характеристика отсекает на оси ординат отрезок, равный фототоку а на оси абсцисс — отрезок, равный величине фото — э. д. с..На семействе вольт-амперных характеристик может быть построена нагрузочная характеристика — прямая, идущая из начала координат, — угла наклона которой к оси абсцисс пропорционален сопротивлению. Точка пересечения нагрузочной характеристики с вольт-амперной характеристикой определяет рабочую точку А, координаты которой соответствуют величинам тока I во внешней цепи и напряжения на зажимах резистора Площадь прямоугольника, ограниченного осями ординат и перпендикулярами, опущенными к ним из рабочей точки, пропорциональна мощности, выделяемой во внешней цепи.Относительные спектральные характеристики основных типов промышленных фотоэлементов показаны на рис. 14-11, где нанесены также кривые энергии солнечного излучения, относительного числа фотонов в потоке солнечного света и видности глаза.Частотная характеристика дает представление об инерционных свойствах фотоэлемента при облучении его световым потоком, модулированным по интенсивности по синусоидальному закон с частотой /. Как видно из рис. 14-12, с увеличением частот чувствительность фотоэлемента падает что определяется инерционными свойствами фотоэлемента, в основном постоянной времени перезаряда барьерной емкости р-п перехода. На частотно характеристике отмечено значение граничной частоты, при которой чувствительность уменьшается в раз по сравнению ее значением при f = 0.Полупроводниковые фотоэлементы могут использоваться в качестве источников электрической энергии, а также в качестве фотоприемников.В последнем случае наиболее важна их спектральная характеристика, а также такие параметры, как пороговый поток обнаружительная способность D, смысл которых рассматривался в § 14-4.Для фотоэлементов, используемых как источники электроэнергии, наиболее важное значение имеют вольт -амперная характеристика и коэффициент полезного действия, значение которого определяет эффективность преобразования световой энергии в электрическую: Значение к. п. д. фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые в первую очередь коэффициентом отражения. Отраженная часть световой энергии не участвует в процессе преобразования. К световым потерям относят также ту часть фотонов, которая при поглощении не создает пар носителей электрических зарядов (поглощение решеткой, свободными носителями зарядов, экситонное поглощение и др.). Процесс преобразования сопровождается также энергетическими потерями. К их числу относятся процессы рекомбинации, образования пар зарядов на расстоянии от запирающего слоя, превышающем длину диффузии, потери в сопротивлении перехода, объема полупроводника и др.Коэффициент полезного действия фотоэлемента увеличивается с ростом светового потока и фотоэлектродвижущей силы. Однако при больших значениях Ф с ростом концентрации свободных носителей возрастает вероятность их рекомбинации, а также снижается коэффициент собирания к. Кроме того, в результате разогрева прибора при больших Ф увеличивается ток, что также служит причиной снижения к. п. д.Рост фото — э.д.с. и напряжения ограничен высотой потенциального барьера перехода. Увеличения напряжения можно достигнуть при использовании полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной и высокой степенью легирования. В этом случае уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости в n-полупроводнике и к потолку валентной зоны в p-полупроводнике, следовательно, -Теоретическое значение к. п. д. при приближается к 25%.Задача выбора оптимального полупроводникового материала приобретает особое значение при разработке преобразователей солнечной энергии, характеризуемой весьма широким спектром. Этот вопрос мы более подробно рассмотрим ниже при обсуждении параметров фотоэлементов различных типов.Параметры фотоэлементов различных типов. Основными типами фотоэлементов, используемых в качестве фотогальванических приемников излучения, служат селеновые и сернистосеребряные фотоэлементы. Устройство селенового фотоэлемента было показано на рис. 14-8, а. Эти фотоэлементы используются в основном в кино — и фотоаппаратуре, так как их спектральная характеристика близка к кривой видности глаза (рис. 14-11, а).Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов. Фото-э.д.с. этих элементов не превышает 0,5—0,6 В. Значение граничной частоты составляет несколько сотен герц.В сернистосеребряных фотоэлементах электрический переход образуется между полупрозрачной пленкой золота и пленкой сернистого серебра, нанесенной на металлическую подложку. Эти фотоэлементы чувствительны к излучениям в длинноволновой части видимого спектра и в инфракрасной области.
Интегральная чувствительность этих приборов мА/лм. Эти фотоэлементы, как и селеновые, характеризуются низким значением к. п. д. (1—2%) и поэтому не используются как источники электроэнергии. Одна из причин столь низкого к. п. д.— малая диффузионная длина в поликристаллических полупроводниковых пленках.В качестве фотоприемников для обнаружения и регистрации малых световых сигналов применяются фотогальванические элементы на основе монокристаллических полупроводников германия и кремния, а также полупроводниковых соединений: антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др. Электрические переходы в таких приборах получают путем сплавления (например, индия и n-германия) или методом локальной диффузии примесей.Для усиления малых электрических сигналов, получаемых при регистрации слабых световых потоков, желательно увеличить сопротивление нагрузки, включаемой во внешнюю цепь. Однако увеличение сопротивления ограничено внутренним сопротивлением прибора, зависящим от сопротивления перехода при обратном включении. При энергетическая характеристика получается более линейной (см. рис. 14-9) и снижается постоянная времени перезаряда барьерной емкости.С этой точки зрения кремниевые фотоэлементы предпочтительней германиевых, так как ширина запрещенной зоны кремния ( эВ) примерно в полтора раза больше, чем у германия, и, следовательно, меньше обратный ток. Германиевые приборы по этой причине используются при охлаждении да температуры жидкого азота (77 К).Кремниевые приборы наиболее чувствительны к излучениям с длиной волны 0,8 мкм; длинноволновая граница этих приборов 1,1 мкм; удельная обнаружительная способность D*.Для работы в инфракрасной области спектра применяются фотогальванические приёмники из материалов с относительно узкой запрещенной зоной (InSb и InAs). Параметры фотоприемника, изготовленного из антимонида индия, следующие: максимальная чувствительность соответствует излучению с длиной волны 5,5 мкм; удельная обнаружительная способность D*. В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца. Спектральная характеристика полупроводникового материала во многом зависит от ширины запрещенной зоны -Как видно из рис. 14-11, б, спектральная характеристика кремния достаточна близка к спектру солнечного излучения. В необходимой мере отвечает этим требованиям и спектральная характеристика сульфида кадмия.Второе важное требование — максимальный к. п. д. Как уже отмечалось, значение к. п. д. зависит от многих факторов. Можно показать tl4], что при согласованной нагрузке () Отсюда следует, что материал для солнечной батареи должен обладать максимальной чувствительностью и высоким значением — Эти условия в совокупности с первым требованием к спектральной характеристике позволяют определить оптимальную ширину запрещенной зоны:. Оптимальным с этой точки зрения является арсенид галлия (эВ), в достаточной степени удовлетворяют этим условиям кремний ( эВ) и сульфид кадмия ( эВ). Эти материалы в основном и используются при изготовлении солнечных батарей. Устройство кремниевого элемента было показано на рис. 14-8, б. Коэффициент полезного действия кремниевых солнечных батарей достигает 15—19%, а батарей на основе арсенида галлия 13%. Недостатками солнечных элементов этого типа (изготовленных на основе монокристаллов) являются невозможность получения большой рабочей поверхности (больше нескольких квадратных сантиметров), а также невысокое отношение мощности на выходе элемента к его массе — около 50 Вт/кг. Пленочные солнечные элементы на основе сульфида кадмия отличаются более высоким отношением мощности к массе (около 200 Вт/кг) и большей рабочей поверхностью, но более низким к. п. д. (около 8%).
www.ronl.ru
Доклад по физике
На тему: Полупроводниковые фотоэлементы
Выполнил: Гросс Д.А.
Проверила: Нюхалова Н.П.
Новосибирск 2010
Полупроводниковые фотоэлементы
Определение. Полупроводниковыми фотоэлементами называют приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фото-э. д. с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком. Фотоэлементы являются преобразователями энергии светового потока в электрическую энергию и используются как источники э.д.с. для питания различных радиоэлектронных устройств, в приборах автоматики др.Устройство селенового и кремниевого фотоэлементов схематически показано на рис. 14-8. На массивную металлическую пластину толщиной 1—2 мм методом термического испарения в вакууме наносят слой р-селена (p—Se) и прогревают пластину при Т = 200 — 210° С. На слой селена затем напыляют тонкую пленку кадмия (Cd), галлия (Ga) или индия (In). При последующей термической обработке на поверхности кристалла Se образуется тонкий слой (около 50 мкм) селенистого соединения напыленного металла, обладающего n-проводимостью. На границе образовавшегося селенида и р—Se формируется электронно-дырочный переход. Тонкий напыленный слой металла полупрозрачен и служит вторым электродом, с которым соединяется кольцеобразный металлический контакт.Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина п—Si толщиной 0,3—1 мм, на поверхности которой путем диффузии бора или алюминия создается слой р—Si толщиной 0,4—1 мкм. На границе этого слоя с п—Si образуется р-п переход с толщиной запирающего слоя I w 0,05 мкм. Контакты со слоем р—Si создаются путем вакуумного напыления пленки титана, защищаемого затем тонкой пленкой серебра. Пленка напыляемого металла полупрозрачна. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой осуществляется. контакт с пластиной п—Si.Характеристики и параметры фотоэлементов. Энергетическая характеристика фотоэлемента показала на рис. 14-9, аПри = 0 зависимость = f (Ф) должна быть согласно (14-21) линейной, однако с увеличением светового потока характеристика отклоняется от линейного закона. Это объясняется влиянием сопротивления перехода и сопротивления — объема полупроводника, показанных на эквивалентной схеме фотоэлемента (рис. 14-10), на которой процесс световой генерации пар зарядов представлен эквивалентным генератором тока.
Для этой схемы в соответствии с законом Кирхгофа можно записать: При малых значениях светового потока, следовательно, и световая характеристика почти линейна. С увеличением светового потока сопротивление перехода уменьшается и зависимость I == I (Ф) все больше отклоняется от линейной.Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента показано на рис. 14-9, б. Эти кривые представляют собой участок вольт-амперных характеристик облученного р-п перехода (см. рис. 14-7). При заданном световом потоке, например, характеристика отсекает на оси ординат отрезок, равный фототоку а на оси абсцисс — отрезок, равный величине фото — э. д. с..На семействе вольт-амперных характеристик может быть построена нагрузочная характеристика — прямая, идущая из начала координат, — угла наклона которой к оси абсцисс пропорционален сопротивлению. Точка пересечения нагрузочной характеристики с вольт-амперной характеристикой определяет рабочую точку А, координаты которой соответствуют величинам тока I во внешней цепи и напряжения на зажимах резистора Площадь прямоугольника, ограниченного осями ординат и перпендикулярами, опущенными к ним из рабочей точки, пропорциональна мощности, выделяемой во внешней цепи.Относительные спектральные характеристики основных типов промышленных фотоэлементов показаны на рис. 14-11, где нанесены также кривые энергии солнечного излучения, относительного числа фотонов в потоке солнечного света и видности глаза.Частотная характеристика дает представление об инерционных свойствах фотоэлемента при облучении его световым потоком, модулированным по интенсивности по синусоидальному закон с частотой /. Как видно из рис. 14-12, с увеличением частот чувствительность фотоэлемента падает что определяется инерционными свойствами фотоэлемента, в основном постоянной времени перезаряда барьерной емкости р-п перехода. На частотно характеристике отмечено значение граничной частоты, при которой чувствительность уменьшается в раз по сравнению ее значением при f = 0.Полупроводниковые фотоэлементы могут использоваться в качестве источников электрической энергии, а также в качестве фотоприемников.В последнем случае наиболее важна их спектральная характеристика, а также такие параметры, как пороговый поток обнаружительная способность D, смысл которых рассматривался в § 14-4.Для фотоэлементов, используемых как источники электроэнергии, наиболее важное значение имеют вольт -амперная характеристика и коэффициент полезного действия, значение которого определяет эффективность преобразования световой энергии в электрическую: Значение к. п. д. фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые в первую очередь коэффициентом отражения. Отраженная часть световой энергии не участвует в процессе преобразования. К световым потерям относят также ту часть фотонов, которая при поглощении не создает пар носителей электрических зарядов (поглощение решеткой, свободными носителями зарядов, экситонное поглощение и др.). Процесс преобразования сопровождается также энергетическими потерями. К их числу относятся процессы рекомбинации, образования пар зарядов на расстоянии от запирающего слоя, превышающем длину диффузии, потери в сопротивлении перехода, объема полупроводника и др.Коэффициент полезного действия фотоэлемента увеличивается с ростом светового потока и фотоэлектродвижущей силы. Однако при больших значениях Ф с ростом концентрации свободных носителей возрастает вероятность их рекомбинации, а также снижается коэффициент собирания к. Кроме того, в результате разогрева прибора при больших Ф увеличивается ток, что также служит причиной снижения к. п. д.Рост фото — э.д.с. и напряжения ограничен высотой потенциального барьера перехода. Увеличения напряжения можно достигнуть при использовании полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной и высокой степенью легирования. В этом случае уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости в n-полупроводнике и к потолку валентной зоны в p-полупроводнике, следовательно, -Теоретическое значение к. п. д. при приближается к 25%.Задача выбора оптимального полупроводникового материала приобретает особое значение при разработке преобразователей солнечной энергии, характеризуемой весьма широким спектром. Этот вопрос мы более подробно рассмотрим ниже при обсуждении параметров фотоэлементов различных типов.Параметры фотоэлементов различных типов. Основными типами фотоэлементов, используемых в качестве фотогальванических приемников излучения, служат селеновые и сернистосеребряные фотоэлементы. Устройство селенового фотоэлемента было показано на рис. 14-8, а. Эти фотоэлементы используются в основном в кино — и фотоаппаратуре, так как их спектральная характеристика близка к кривой видности глаза (рис. 14-11, а).Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов. Фото-э.д.с. этих элементов не превышает 0,5—0,6 В. Значение граничной частоты составляет несколько сотен герц.В сернистосеребряных фотоэлементах электрический переход образуется между полупрозрачной пленкой золота и пленкой сернистого серебра, нанесенной на металлическую подложку. Эти фотоэлементы чувствительны к излучениям в длинноволновой части видимого спектра и в инфракрасной области.
Интегральная чувствительность этих приборов мА/лм. Эти фотоэлементы, как и селеновые, характеризуются низким значением к. п. д. (1—2%) и поэтому не используются как источники электроэнергии. Одна из причин столь низкого к. п. д.— малая диффузионная длина в поликристаллических полупроводниковых пленках.В качестве фотоприемников для обнаружения и регистрации малых световых сигналов применяются фотогальванические элементы на основе монокристаллических полупроводников германия и кремния, а также полупроводниковых соединений: антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др. Электрические переходы в таких приборах получают путем сплавления (например, индия и n-германия) или методом локальной диффузии примесей.Для усиления малых электрических сигналов, получаемых при регистрации слабых световых потоков, желательно увеличить сопротивление нагрузки, включаемой во внешнюю цепь. Однако увеличение сопротивления ограничено внутренним сопротивлением прибора, зависящим от сопротивления перехода при обратном включении. При энергетическая характеристика получается более линейной (см. рис. 14-9) и снижается постоянная времени перезаряда барьерной емкости.С этой точки зрения кремниевые фотоэлементы предпочтительней германиевых, так как ширина запрещенной зоны кремния ( эВ) примерно в полтора раза больше, чем у германия, и, следовательно, меньше обратный ток. Германиевые приборы по этой причине используются при охлаждении да температуры жидкого азота (77 К).Кремниевые приборы наиболее чувствительны к излучениям с длиной волны 0,8 мкм; длинноволновая граница этих приборов 1,1 мкм; удельная обнаружительная способность D*.Для работы в инфракрасной области спектра применяются фотогальванические приёмники из материалов с относительно узкой запрещенной зоной (InSb и InAs). Параметры фотоприемника, изготовленного из антимонида индия, следующие: максимальная чувствительность соответствует излучению с длиной волны 5,5 мкм; удельная обнаружительная способность D*. В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца. Спектральная характеристика полупроводникового материала во многом зависит от ширины запрещенной зоны -Как видно из рис. 14-11, б, спектральная характеристика кремния достаточна близка к спектру солнечного излучения. В необходимой мере отвечает этим требованиям и спектральная характеристика сульфида кадмия.Второе важное требование — максимальный к. п. д. Как уже отмечалось, значение к. п. д. зависит от многих факторов. Можно показать tl4], что при согласованной нагрузке () Отсюда следует, что материал для солнечной батареи должен обладать максимальной чувствительностью и высоким значением — Эти условия в совокупности с первым требованием к спектральной характеристике позволяют определить оптимальную ширину запрещенной зоны:. Оптимальным с этой точки зрения является арсенид галлия (эВ), в достаточной степени удовлетворяют этим условиям кремний ( эВ) и сульфид кадмия ( эВ). Эти материалы в основном и используются при изготовлении солнечных батарей. Устройство кремниевого элемента было показано на рис. 14-8, б. Коэффициент полезного действия кремниевых солнечных батарей достигает 15—19%, а батарей на основе арсенида галлия 13%. Недостатками солнечных элементов этого типа (изготовленных на основе монокристаллов) являются невозможность получения большой рабочей поверхности (больше нескольких квадратных сантиметров), а также невысокое отношение мощности на выходе элемента к его массе — около 50 Вт/кг. Пленочные солнечные элементы на основе сульфида кадмия отличаются более высоким отношением мощности к массе (около 200 Вт/кг) и большей рабочей поверхностью, но более низким к. п. д. (около 8%).
www.ronl.ru
Доклад по физике
На тему: Полупроводниковые фотоэлементы
Выполнил:Гросс Д.А.
Проверила: Нюхалова Н.П.
Новосибирск 2010
Полупроводниковые фотоэлементы
Определение. Полупроводниковыми фотоэлементами называют приборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фото-э. д. с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком. Фотоэлементы являются преобразователями энергии светового потока в электрическую энергию и используются как источники э.д.с. для питания различных радиоэлектронных устройств, в приборах автоматики др.Устройство селенового и кремниевого фотоэлементов схематически показано на рис. 14-8. На массивную металлическую пластину толщиной 1—2 мм методом термического испарения в вакууме наносят слой р-селена (p—Se) и прогревают пластину при Т = 200 — 210° С. На слой селена затем напыляют тонкую пленку кадмия (Cd), галлия (Ga) или индия (In). При последующей термической обработке на поверхности кристалла Se образуется тонкий слой (около 50 мкм) селенистого соединения напыленного металла, обладающего n-проводимостью. На границе образовавшегося селенида и р—Se формируется электронно-дырочный переход. Тонкий напыленный слой металла полупрозрачен и служит вторым электродом, с которым соединяется кольцеобразный металлический контакт.Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина п—Si толщиной 0,3—1 мм, на поверхности которой путем диффузии бора или алюминия создается слой р—Si толщиной 0,4—1 мкм. На границе этого слоя с п—Si образуется р-п переход с толщиной запирающего слоя I w 0,05 мкм. Контакты со слоем р—Si создаются путем вакуумного напыления пленки титана, защищаемого затем тонкой пленкой серебра. Пленка напыляемого металла полупрозрачна. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой осуществляется . контакт с пластиной п—Si.Характеристики и параметры фотоэлементов. Энергетическая характеристика фотоэлемента показала на рис. 14-9, аПри = 0 зависимость = f (Ф) должна быть согласно (14-21) линейной, однако с увеличением светового потока характеристика отклоняется от линейного закона. Это объясняется влиянием сопротивления перехода и сопротивления — объема полупроводника, показанных на эквивалентной схеме фотоэлемента (рис. 14-10), на которой процесс световой генерации пар зарядов представлен эквивалентным генератором тока.
Для этой схемы в соответствии с законом Кирхгофа можно записать:При малых значениях светового потока , следовательно, и световая характеристика почти линейна. С увеличением светового потока сопротивление перехода уменьшается и зависимость I == I (Ф) все больше отклоняется от линейной.Семейство вольт-амперных характеристик фотоэлемента показано на рис. 14-9, б. Эти кривые представляют собой участок вольт-амперных характеристик облученного р-п перехода (см. рис. 14-7). При заданном световом потоке, например , характеристика отсекает на оси ординат отрезок, равный фототоку а на оси абсцисс — отрезок, равный величине фото - э. д. с. .На семействе вольт-амперных характеристик может быть построена нагрузочная характеристика — прямая, идущая из начала координат, — угла наклона которой к оси абсцисс пропорционален сопротивлению . Точка пересечения нагрузочной характеристики с вольт-амперной характеристикой определяет рабочую точку А, координаты которой соответствуют величинам тока I во внешней цепи и напряжения на зажимах резистора Площадь прямоугольника, ограниченного осями ординат и перпендикулярами, опущенными к ним из рабочей точки, пропорциональна мощности, выделяемой во внешней цепи.Относительные спектральные характеристики основных типов промышленных фотоэлементов показаны на рис. 14-11, где нанесены также кривые энергии солнечного излучения, относительного числа фотонов в потоке солнечного света и видности глаза.Частотная характеристика дает представление об инерционных свойствах фотоэлемента при облучении его световым потоком, модулированным по интенсивности по синусоидальному закон с частотой /. Как видно из рис. 14-12, с увеличением частот чувствительность фотоэлемента падает что определяется инерционными свойствами фотоэлемента, в основном постоянной времени перезаряда барьерной емкости р-п перехода. На частотно характеристике отмечено значение граничной частоты , при которой чувствительность уменьшается в раз по сравнению ее значением при f = 0.Полупроводниковые фотоэлементы могут использоваться в качестве источников электрической энергии, а также в качестве фотоприемников.В последнем случае наиболее важна их спектральная характеристика, а также такие параметры, как пороговый поток обнаружительная способность D, смысл которых рассматривался в § 14-4.Для фотоэлементов, используемых как источники электроэнергии, наиболее важное значение имеют вольт -амперная характеристика и коэффициент полезного действия, значение которого определяет эффективность преобразования световой энергии в электрическую: Значение к. п. д. фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые в первую очередь коэффициентом отражения. Отраженная часть световой энергии не участвует в процессе преобразования. К световым потерям относят также ту часть фотонов, которая при поглощении не создает пар носителей электрических зарядов (поглощение решеткой, свободными носителями зарядов, экситонное поглощение и др.). Процесс преобразования сопровождается также энергетическими потерями. К их числу относятся процессы рекомбинации, образования пар зарядов на расстоянии от запирающего слоя, превышающем длину диффузии, потери в сопротивлении перехода, объема полупроводника и др.Коэффициент полезного действия фотоэлемента увеличивается с ростом светового потока и фотоэлектродвижущей силы . Однако при больших значениях Ф с ростом концентрации свободных носителей возрастает вероятность их рекомбинации, а также снижается коэффициент собирания к. Кроме того, в результате разогрева прибора при больших Ф увеличивается ток , что также служит причиной снижения к. п. д.Рост фото - э.д.с. и напряжения ограничен высотой потенциального барьера перехода. Увеличения напряжения можно достигнуть при использовании полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной и высокой степенью легирования. В этом случае уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости в n-полупроводнике и к потолку валентной зоны в p-полупроводнике, следовательно, -Теоретическое значение к. п. д. при приближается к 25%.Задача выбора оптимального полупроводникового материала приобретает особое значение при разработке преобразователей солнечной энергии, характеризуемой весьма широким спектром. Этот вопрос мы более подробно рассмотрим ниже при обсуждении параметров фотоэлементов различных типов.Параметры фотоэлементов различных типов. Основными типами фотоэлементов, используемых в качестве фотогальванических приемников излучения, служат селеновые и сернистосеребряные фотоэлементы. Устройство селенового фотоэлемента было показано на рис. 14-8, а. Эти фотоэлементы используются в основном в кино - и фотоаппаратуре, так как их спектральная характеристика близка к кривой видности глаза (рис. 14-11, а).Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов . Фото-э.д.с. этих элементов не превышает 0,5—0,6 В. Значение граничной частоты составляет несколько сотен герц.В сернистосеребряных фотоэлементах электрический переход образуется между полупрозрачной пленкой золота и пленкой сернистого серебра, нанесенной на металлическую подложку. Эти фотоэлементы чувствительны к излучениям в длинноволновой части видимого спектра и в инфракрасной области.
Интегральная чувствительность этих приборов мА/лм. Эти фотоэлементы, как и селеновые, характеризуются низким значением к. п. д. (1—2%) и поэтому не используются как источники электроэнергии. Одна из причин столь низкого к. п. д.— малая диффузионная длина в поликристаллических полупроводниковых пленках.В качестве фотоприемников для обнаружения и регистрации малых световых сигналов применяются фотогальванические элементы на основе монокристаллических полупроводников германия и кремния, а также полупроводниковых соединений: антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др. Электрические переходы в таких приборах получают путем сплавления (например, индия и n-германия) или методом локальной диффузии примесей.Для усиления малых электрических сигналов, получаемых при регистрации слабых световых потоков, желательно увеличить сопротивление нагрузки, включаемой во внешнюю цепь. Однако увеличение сопротивления ограничено внутренним сопротивлением прибора , зависящим от сопротивления перехода при обратном включении. При энергетическая характеристика получается более линейной (см. рис. 14-9) и снижается постоянная времени перезаряда барьерной емкости.С этой точки зрения кремниевые фотоэлементы предпочтительней германиевых, так как ширина запрещенной зоны кремния ( эВ) примерно в полтора раза больше, чем у германия, и, следовательно, меньше обратный ток. Германиевые приборы по этой причине используются при охлаждении да температуры жидкого азота (77 К).Кремниевые приборы наиболее чувствительны к излучениям с длиной волны 0,8 мкм; длинноволновая граница этих приборов 1,1 мкм; удельная обнаружительная способность D* .Для работы в инфракрасной области спектра применяются фотогальванические приёмники из материалов с относительно узкой запрещенной зоной (InSb и InAs). Параметры фотоприемника, изготовленного из антимонида индия, следующие: максимальная чувствительность соответствует излучению с длиной волны 5,5 мкм; удельная обнаружительная способность D* . В качестве эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоисточников электрической энергии — применяются кремниевые элементы, изготавливаемые на основе монокристалла кремния, а также пленочные элементы на основе сульфида кадмия. Основные требования к солнечным элементам заключаются в следующем. Прежде всего их спектральная характеристика должна наиболее полно соответствовать спектру излучения солнца. Спектральная характеристика полупроводникового материала во многом зависит от ширины запрещенной зоны -Как видно из рис. 14-11, б, спектральная характеристика кремния достаточна близка к спектру солнечного излучения. В необходимой мере отвечает этим требованиям и спектральная характеристика сульфида кадмия.Второе важное требование — максимальный к. п. д. Как уже отмечалось, значение к. п. д. зависит от многих факторов. Можно показать tl4], что при согласованной нагрузке () Отсюда следует, что материал для солнечной батареи должен обладать максимальной чувствительностью и высоким значением - Эти условия в совокупности с первым требованием к спектральной характеристике позволяют определить оптимальную ширину запрещенной зоны: . Оптимальным с этой точки зрения является арсенид галлия (эВ), в достаточной степени удовлетворяют этим условиям кремний ( эВ) и сульфид кадмия ( эВ). Эти материалы в основном и используются при изготовлении солнечных батарей. Устройство кремниевого элемента было показано на рис. 14-8, б. Коэффициент полезного действия кремниевых солнечных батарей достигает 15—19%, а батарей на основе арсенида галлия 13%. Недостатками солнечных элементов этого типа (изготовленных на основе монокристаллов) являются невозможность получения большой рабочей поверхности (больше нескольких квадратных сантиметров), а также невысокое отношение мощности на выходе элемента к его массе — около 50 Вт/кг. Пленочные солнечные элементы на основе сульфида кадмия отличаются более высоким отношением мощности к массе (около 200 Вт/кг) и большей рабочей поверхностью, но более низким к. п. д. (около 8%).
superbotanik.net
Муниципальное общеобразовательное учреждение
« Средняя общеобразовательная школа № 12»
Применение фотоэффекта
Выполнила: Ищенко Валерия
Ученица 11 класса
Ангарск, 2011
Применение фотоэффекта в технике
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство. Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем с небольшим прозрачным для света участком — «окном» для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо. От электродов сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).
Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнер-" гии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
В качестве примера рассмотрим принцип действия фото-электрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент. Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют вакуумный триод, и электромагнитного реле ЭМР, включенного в анодную цепь триода. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока а на триод — от источника тока. Ток накала триода создают источником тока — Между сеткой и катодом триода включен нагрузочный резистор RH.
Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор RH, идет ток. На резисторе Ru происходит падение напряжения, вследствие чего потенциал сетки триода значительно меньше потенциала катода и лампа заперта.
Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, падение напряжения на резисторе становится равным нулю и лампа отпирается. Через обмотку электромагнитного реле идет анодный ток, реле срабатывает и его контакты замыкают исполнительную цепь, функциями которой могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека; выдвигание преграды в турникете метро и т.д.
С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке атакже передача движущихся изображений (телевидение).
В аэронавигации, в военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.
Сочетание фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.
На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.
Простейшее фотосопротивление представляет собой пластинку изолятора, на которую нанесен тонкий слой полупроводника. При освещении пластинки возникает фотопроводимость и в цепи фотосопротивления идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике.
Фотосопротивления позволяют на расстоянии автоматически обнаружить нарушения нормального хода различных производственных процессов и останавливать в этих случаях процессы. При нарушениях нормального хода процесса может измениться световой поток, попадающий на фотоэлемент, в результате изменяется сила фототока, и изменяется ход всего процесса.
Фотосопротивления применяются для сортировки массовых изделий по их размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.
Устройство фотоэлемента с запирающим слоем (вентильный фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другим пластинки, изготовленные из металла и его окиси (полупроводник) покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его окисью имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от окиси металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей, которые устанавливаются на космических кораблях.
Применение фотоэффекта в медицине
Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.
Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из источника электронов — фотокатода К, на который попадает свет, и анода А.
Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке дана схема включения фотокатода в цепь.
Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки ВАХ, полученных при разных значениях светового потока.
Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.
Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном
газе, и вторичную электронную эмиссию — испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).
Схема ФЭУ приведена на рис. 3. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э1. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.
ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.
На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 4. Световое изображение объекта, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.
В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.
Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.
Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока. Один из таких фотоэлементов — медно-закисный — представлен на схеме рис. 5.
Медная пластинка, служащая одним из электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Сu2О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аu), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов, в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока.
Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч микроампер на люмен.
На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.
Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения экспозиции (в экспонометрах).
Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т. е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.
На явлении фотопроводимости основано и явление фоторезистора.
Простейшее фотосопротивление представляет собой тонкий слой полупроводника с металлическими электродами и изолятором. Фотосопротивления, как и фотоэлементы, позволяют определять некоторые световые характеристики и используются в автоматических системах и измерительной аппаратуре.
www.ronl.ru
В современной электронной технике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этих принципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения в нем световой энергии (квантов света). При этом изменяется проводимость вещества или возникает э. д. с., что приводит к изменениям тока в цепи, в которую включен фоточувствительный элемент. Второй принцип связан с генерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляют научную основу оптоэлектроники – нового научно-технического направления, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются как электрические, так и оптические средства и методы.
Все многообразие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующим основным:
– поглощение света и фотопроводимость;
– фотоэффект в p-n переходе;
– электролюминесценция;
Возможно вы искали - Реферат: Стихийная диалектика Гераклита
– стимулированное когерентное излучение.
Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект
Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения.
При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого проводимость полупроводника возрастает на величину
Ds = e (mn Dni + mp Dpi ), (1)
где e – заряд электрона; mn – подвижность электронов; mp – подвижность дырок; Dni – концентрация генерируемых электронов; Dpi – концентрация генерируемых дырок.
Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. междузонный переход, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию
hnкр ³DW, (2)
Похожий материал - Доклад: Развитие взглядов на теорию света
где h – постоянная Планка; DW – ширина запрещенной зоны полупроводника; nкр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).
Излучение с частотой n < nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn < DW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn > DW, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.
Критической частоте nкр соответствует граничная длина волны
lгр = с / nкр , (3)
где с - скорость света (3·108 м/с). При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет примерно 1.8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падющей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, так как скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь неосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.
Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.
Очень интересно - Курсовая работа: Пространство и время
Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фотоактивным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление было названо фоторезистивным эффектом . Основное применение фоторезистивный эффект находит в светочувствительных полупроводниковых приборах – фоторезисторах, которые широко используются в современной оптоэлектронике и фотоэлектронной автоматике.
Фоторезисторы
Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток
Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.
Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала.
Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток
Iт = E / (Rт + Rн ), (4)
где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением ; Rн – сопротивление нагрузки.
Вам будет интересно - Реферат: Визуальные методы оценки цикличности в ходе метеоэлементов
При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток
Iс = E / (Rс + Rн ). (5)
Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф , получившего название первичного фототока проводимости
Iф = Iс – Iт . (6)
Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости . Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.
Характеристики фоторезисторов
Основными характеристиками фоторезисторов являются:
Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе.
Похожий материал - Реферат: Научно-техническая революция: прогресс или трагедия?
Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис. 5 приложения). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.
Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной, а сернисто-свинцовые – в инфракрасной (рис. 6 приложения).
Частотная , характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность оганичивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.
Параметры фоторезисторов
Основные параметры фоторезисторов:
cwetochki.ru
