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%).