Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 6_Оптоэлектронные полупроводниквые приборы

монокристаллический или поликристаллический кремний. Их фотоЭДС не превышает 0,6 В. Для получения более высоких Vф и I элементы соединяют последовательно и параллельно, получая при этом солнечные батареи мощностью до 300−350 Вт. Их КПД обычно не превышает 15−20%.

Имеется несколько причин, ограничивающих КПД кремниевых батарей. Основная причина в том, что в преобразовании солнечной энергии участвует лишь небольшая часть спектра.

Спектр солнечного излучения: ~10% ультрафиолет (λ = 0,1−0,4 мкм), ~ 45% видимое излучение (λ = 0,4−0,76 мкм); ~ 45% ИК-излучение

(λ = 0,76−5 мкм).

Для генерации электронно-дырочных пар в Si и возникновения фотоЭДС необходимо, чтобы Еф>ΔEg, т.е. λ < λгр ≈ 1 мкм. Это означает, что часть ИК-излучения не генерирует электронно-дырочные пары, а идет на нагрев. Часть энергии УФ-излучения также преобразуется в тепло.

Решение проблемы – в использовании многослойных гетероструктур из двух и более полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Например, из полупроводниковых соединений А3В5 и твердых растворов на их основе. Сдерживающий фактор – высокая стоимость.

Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте, т. е. на изменении проводимости полупроводника при его освещении.

В неосвещенном полупроводнике существует темновая проводимость σ0:

σ0 = q(n0·μn + p0·μp),

где μn и μp – подвижности носителей.

При облучении фоторезистора фотонами с энергией Еф > ΔEg возникают переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, в результате чего возникает фотопроводимость σф:

σф = q(Δn·μn + Δp·μp),

где n· и Δp - увеличение концентрации электронов и дырок под воздействием света.

Для изготовления фоторезисторов используют различные материалы:

CdS, CdSe, PbS и PbSe. Используют также Ge и Si, а также InSb и InAs.

Фоторезисторы, чувствительные к ИК-излучению изготавливают на основе тройного соединения кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe).

Световая характеристика не линейна, поскольку с ростом Ф возрастают n и Δp, что способствует увеличению вероятности их рекомбинации и

уменьшения тока I. Другая причина - уменьшение μn и μp из-за увеличения концентрации ионизированных атомов в полупроводнике , являющихся центрами рассеяния носителей заряда.

ВАХ практически линейны, хотя бывают исключения для фоторезисторов из поликристаллического полупроводникового материала.

С ростом длины волны λ света энергия фотонов Еф уменьшается. При больших λ, когда Еф < ΔEg, фотопроводимости не возникает. С другой стороны, с уменьшением λ растет поглощения света полупроводником. Фотоны поглощаются в основном вблизи освещаемой поверхности фоторезистора, где велика роль поверхностной рекомбинации. В результате σф при уменьшении λ снижается.

Таким образом, спектральная характеристика имеет максимум, с резким уменьшением фототока не только со стороны длинноволновой области, но и со стороны коротковолновой области.

Недостатки фоторезисторов.:

-сопротивление довольно сильно зависит от температуры.

-большая инерционность, обусловленная большим временем рекомбинации носителей после прекращения воздействия излучения.

-довольно значительные собственные шумы.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, предназначенный для детектирования оптического излучения.

В основе его принципа действия лежит фотовольтаический эффект, суть которого заключается в генерации под воздействием излучения электронно-дырочных пар и их последующем разделении внутренним электрическим контактным полем, что приводит к образование фотоЭДС или протеканию фототока во внешней цепи.

Существует различные типы фотодиодов, отличающихся структурой и основными характеристиками:

-фотодиоды с р-п-переходом;

-лавинные фотодиоды;

-р-і-п-фотодиоды;

-фотодиоды с барьером Шоттки.

Имеются также фотодиоды на основе гетеропереходов и структуры металл-диэлектрик-полупроводник.

Обычно фотодиод работает при обратном смещении на переходе, а полезным сигналом является фототок или падение напряжения, вызванное протеканием фототока через нагрузочный резистор.

Структура фотодиода Схема включения ВАХ фотодиода Iф = Sинт·Ф, где Sинт – интегральная чувствительность.

Длинноволновое излучение поглощается за ОПЗ, а коротковолновое – перед ней. Если пары генерируются на расстоянии от границ ОПЗ, большем диффузионной длины, то электроны и дырки успевают рекомбинировать, не достигнув ОПЗ. Поэтому они не дают никакого вклада в фототок.

Чтобы сгенерированным носителям достичь границ ОПЗ, требуется определенное время. Поэтому электрический сигнал на световой импульс возникает с запаздыванием. Это ограничивает рабочий диапазон частот (для кремниевых фотодиодов на уровне 10 МГц).

Обычно ФТ включают по схеме с ОЭ с нагрузкой в коллекторной цепи. База – «плавающая». Роль Iб выполняет световой поток, генерирующий электронно-дырочные пары, разделяемые полем коллекторного перехода.

Иногда используют базовый вывод (для температурной стабилизации и регулировки ВАХ фототранзистора).

Фототранзисторы могут усиливать сигнала, возникший при Ф>0, но обладают невысоким быстродействием. Их постоянная времени порядка от 1 до 10 мкс. Технология сложнее, чем у фотодиодов. Поэтому в основном они применяются в схемах управления силовыми цепями.