книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

щейся освещенности следует учитывать инерционность генератора 1ф и нефотоактивного перехода и емкость р—«-перехода С, включенную параллельно [220, М38]. Для точного описания работы реальных фотоэлементов необходимо также рассматривать последовательно вклю­ ченные сопротивления толщи полупроводника и контак­ тов и распределенное сопротивление тонкой поверхностной области. Влияние этих сопротивлений: на характеристики фотоэлектрических приборов с р—«-переходом рассмот­ рено в работе [240]. Они существенны в случаях большой освещаемой площади фотоэлемента и высокой освещен­ ности или при работе фотоэлемента на малое сопротивле­ ние нагрузки г (с целью уменьшения постоянной времени г-С, определяющей инерционность фотодетектора) и умень­ шают его к. п. д. нлн увеличивают ииерциониость. Вели­ чину этих сопротивлений уменьшают, улучшая техноло­ гию контактов, уменьшая толщину базовой области р—«-перехода, нанося проводящие сетки па освещаемые поверхности большой площади.

Как уже упоминалось, различают два основных ре­ жима работы фотоэлемента: вентильный и фотодиодный. В вентильном режиме работают фотоэлектрические при­ боры обоих классов, в фотодиод-ном — только второго.

Темновой ток Ii(U) фотоэлементов в области прямых напряжений, представляющей интерес для вентильного режима, может быть представлен в виде

короткого замыканпя. В частности, максимальное на­ пряжение, которое генерируется фотоэлементом в случае

Максимальная мощность выделяется па сопротивлении нагрузки, когда напряжение на р—7г-нореходе равно неко­ торой величине Ump~C СофтахЭта величина определяется уравнением (см., например, 1241])

Сопротивление нагрузки и ток, текущий через пего, прп этом равны

Для фотоэлектрических преобразователен, которые могут найти практическое применение, 1ф па песколько порядков больше 10. Поэтому

W m p

*

где Nф — общее число фотонов, падающих па поверхность фотоэлемента, а 8 С Р — их средняя энергия.

рые обладают энергией, достаточной для создания элек­ тронно-дырочной пары; Q* — эффективный квантовый выход фотоэлемента, усредненный по спектру источника света при ha ^> eg , т. е. отношение числа носителей,

*

пересекающих р—«-переход, к Пф(гё). Q* зависит от кон­ струкции фотоэлемента, параметров материала и спект-

.рального состава света. Используя (8.32), можно написать следующее выражение для максимального к. п. д.:

где Ump определяется выражениями (8.27) п (8.32). Из выражении (8.27), (8.32) и (8.33) видно, что достижение максимально возможной величины коэффициента Q* (мак­ симального тока короткого замыкания) является одним из основных условий высокой эффективности преобразо­ вания энергии р—га-переходов из определенного мате­ риала. Для увеличения Q* необходимо уменьшить реком­ бинацию в объеме п на поверхности образца, что дости­ гается как различными технологическими приемами при изготовлении материала и р—?г-перехода, так п выбором рациональной конструкции фотоэлемента.

В арсениде галлпя коэффициент поглощения света при /Zco>eg превышает 101 см—1, и практически все неравно­ весные носители тока генерируются на расстоянии, мень­ шем 3 мкм от освещаемой поверхности. Кроме того, диф­ фузионные длины неосновных носителей в р- и ?г-областях GaAs-фотоэлементов составляют примерно 1 мкм при ком­ натной температуре (см. 8.3.3). Поэтому для уменьшения

стояниях от поверхности порядка 1 мкм. Для уменьшения потерь из-за рекомбинации пар у освещаемой поверх­ ности имеет смысл еще уменьшить толщину переднего слоя фотоэлемента для уменьшения числа пар, генерируемых в этом слое. Однако это может привести к увеличению сопротивления переднего слоя, на котором будет рас­

для достижения максимальной фоточувствительиости. Раз­ ница для детекторов, работающих часто при высоких сопротивлениях нагрузки, состоит в том, что сопротивле­ ние переднего слоя без -заметного ослабления сигнала может быть намного большим, чем в преобразователях

424 Э Л Е К Т Р О Н Н О - Д Ы Р О Ч Н Ы Е П Е Р Е Х О Д Ы [ГЛ. 8

энергии. Поэтому толщина переднего слоя может быть

шается значительно быстрее, чем /ф 1241]. Существующие

имеется оптимальная ширина запрещенной зоны, при которой к. п. д. преобразования солнечного света будет максимальным. Подробные расчеты в предположении, что потери мощности из-за отражения света и рекомбинации неравновесных носителей отсутствуют (Q* = l ) проведены рядом авторов [242—247]. Их результаты песколько отли чаются друг от друга, что, как показано в 1241], опреде­ ляется различием в предположениях о величине темпового тока и спектре излучения Солнца. Однако иа основании этих вычислений можно сделать вывод, что арсспид гал­ лия близок к оптимальному материалу для солнечных батарей, работающих в условиях освещения в космосе и на поверхности Земли при температурах вблизи комнатной и до 200°С. Максимальный к. п. д., который может быть достигнут при применении арсенида галлия но данным [242—248, 95], лежит в пределах 20—28% прп комнатной температуре и превышает соответствующую величину для кремниевых солнечных элементов, хотя эта разница при некоторых предположениях о темновых токах р—п-пе- реходов может быть и невелика. По-впдпмому, наиболее реальна величина 23% [95], полученная для максималь­ ного к. п. д. при интенсивности солнечного света 90 мет/см*, соответствующей освещенности на уровне моря, и темпо­ вом токе, определяемом рекомбинацией в слое объемного заряда [156] прп времени жизни в этом слое Ю - 9 сек, соответствующем наблюдающимся величинам [249]. До­ стигнутый в настоящее время к. н. д. почти в два раза

составляет 13—14% [81, 250] прп комиатиой температуре, что близко к к. п. д. лучших солнечных элементов из крем­ ния (15%). Некоторые параметры подобных фотоэлемен­

запрещенной зоны. Экспериментально была достигнута фото-э.д. с. величиной 1,45в (при 77 °К) при освещенности

Анализ результатов исследования GaAs-фотоэлементов; показывает, что основной причиной отличия реального к. п. д. от предельно возможного для арсенпда галлия являются высокие потери по току из-за сильной рекомби­ нации неравновесных носителей в поверхностной области (<?*<1). •

Так как главное применение солнечные батареи в на­ стоящее время находят в космосе, наряду с к. п. д. важными характеристиками фотоэлементов являются температур­ ное изменение параметров и сопротивляемость ионизую-

426 Э Л Е К Т Р О Н П О - Д Ы Р О Ч Н Ы Е П Е Р Е Х О Д Ы [ГЛ. 8

щим излучениям. Расчеты, основанные на теории фотопре­ образователей ср—га-переходом (см. (8.24)—(8.33)), показы­ вают, что относительное уменьшение к. н. д. фотоэлементов при увеличеиип температуры от 0 до 200° С для арсенида галлпя мепыпе, чем для кремния [245, 252J. Эксперимен­ тальное исследование фотоэлементов с к. п. д. 11—13% [81, 250] в области температур 0—200° С при интенсивно­ сти солнечного света 100 лтп/см2 дает следующие резуль­ таты. С ростом температуры фото-э. д. с. падает почти ли­ нейно. При этом температурный коэффициент фото-э. д. с. в области 0—200° С составляет 1,94—2,21 мв/град. Фототок короткого замыкания несколько растет при повышении температуры, однако его рост не может скомпенсировать падение фото-э. д. с. Коэффициент температурного измене­ ния к. п. д. при оптимальной нагрузке лежит в пределах 0,021—0,034 %/град (рис. 8.36), что приблизительно

Г, 'С

Рис. 8.36. ^Зависимость к. п. д. при согласованной^иагрузке от температуры [81, 250].

вдвое меньше соответствующей величины для промышлен­ ных кремниевых фотоэлементов. Следовательно, при по­ вышенных температурах солнечные батареи из арсенида галлия уже в настоящее время эффективнее кремние­ вых.

Пороговая энергия образования дефектов в арсениде галлия выше, чем в кремнии [252, 253]. Кроме того, боль­ шой коэффициент поглощения света в арсениде галлия позволяет при правильной конструкции фотоэлемента получить достаточно полное разделение неравновесных

пар даже при малой диффузионной длине (т. е. большом числе дефектов). Поэтому можно ожидать, что уменьшение к. п. д. GaAs-фотоэлементов под действием ионизующих излучений будет начинаться при больших дозах облуче­ ния, чем кремниевых. Предварительные испытания под­ твердили эти предположения [81, 252, 254, 255]. Однако частицы малой энергии поглощаются и производят де­ фекты только в поверхностном слое фотоэлемента, кото­ рый благодаря высокому коэффициенту поглощения ви­ димого света играет основную роль в солнечных батареях из арсенида галлия и почти несуществен в кремниевых элемен­ тах. Поэтому потоки электронов и протонов с энергией менее 1 Мэв уменьшают к. п. д. GaAs-солнечиых батарей сильнее, чем кремниевых [255, 256]. Однако для ослабле­ ния их воздействия можно применять защитные покрытия.

С точки зрения уменьшения стоимости и веса солнеч­ ных батарей весьма перспективной является разработка тонкоплеиочиых GaAs-солнечных элементов с поверхност­ ным потенциальным барьером, к. п. д. которых в настоя­ щее время достигает 5% при комнатной температуре, а выход полезной мощности с единицы веса 300 вт/т [257, 258]. Подробно свойства этих фотоэлементов в на­ стоящее время не исследованы.

8.3.9. Применение р—«-переходов для обнаружения электромагнитного излучения и частиц высоких энергий. Использование р—?г-переходов в GaAs в качестве детекторов света в видимой и ближней инфракрасной области иссле­ довалось и обсуждалось в работе [96]. Характеристики фотоэлементов были измерены при комнатной темпера­ туре. Спектральное распределение фоточувствительности

о

имело максимум при длиие волны 8500 А и было подобно приведенному на рис. 8.32. Фотоответ в максимуме чув­ ствительности был равен 15 ма/вт. Как и следовало

Эта линейная зависимость наблюдалась при потоках фотонов 3 - Ю 1 0 — 8 - Ю 1 2 см-'2--сек-1 ( £ / ф Ш а х < 1л«?)пдолжна была простираться и до более высоких освещенностей.

Шумы, измеренные в интервале частот 200—1500 гц, не имели составляющей типа 1//. Уровень шумов в полосе

1 гц соответствовал пороговой мощности излучения с дли-

составляло 1 Мом, а постоянная времени в режиме вен­

го применения GaAs-фотоэлементов в системах автома­ тики п для обнаружения светового излучения в области

4000-9000 А.

Если толщина передней освещаемой области р—?г-пе- рехода велика по сравнению с диффузионной длиной неос­ новных носителей тока в этом слое, то при К1~^>1 фото-

прп К ^ ill. Поскольку коэффициент поглощения света в арсениде галлия в области края основной полосы (К<С_ <10* см *) с изменением эпергии фотонов меняется очень быстро, соответствующим образом изготовленный р—га-пе­ реход с толстой освещаемой областью будет фоточувстви­ телен только в узком диапазоне энергии фотонов вблизи края основной полосы поглощения. Подобные узкополос­ ные детекторы света были предложены и осуществлены в работах [259, 260]. Максимальная фоточувствительность

заметно уменьшить толщину переднего слоя фотоэлемента, если концентрация носителей тока в нем мала (за счет расширения слоя объемного заряда р—га-перехода). При этом фоточувствительность узкополосиого детектора за­ метно увеличивается, а его полоса слегка сдвигается [261]

р—га-переходы в арсениде галлия могут быть также использованы для обнаружения и измерения интенсив-

иости рентгеновского и у-излучеиий. Хотя процессы погло­ щения энергии твердым телом в этом случае (эффект Комптона, возбуждение электронов внутренних оболочек атомов) отличаются от поглощения фотонов небольшой энергии, конечным результатом и в этом случае является образование электроиио-дырочных пар, которые раз­ деляются р—?г-переходом.

Поскольку коэффициент поглощения у-квантов с энер­ гией 0,1—10 Мае в арсениде галлия меньше 2,5 см-1 [262], обычные GaAs-фотоэлемеиты регистрируют только очень малую часть падающих на образец квантов. При этом в объеме полупроводника осуществляется равномер­ ная генерация электроиио-дырочных пар, п по известной скорости генерации и фототоку может быть опреде­ лена сумма диффузионных длин неосновных носителей тока в п- и р-областях [262]. Увеличение эффективного квантового выхода при облучении у-квантами может быть достигнуто путем увеличения ширины слоя объем­ ного заряда р—7г-перехода.

Фотоэффект в р—/г-переходах в GaAs при облучении их рентгеновскими квантами с энергией 50—200 кэв и его возможные применения рассмотрены в работах [153, 263].

Поведение р—«-переходов в GaAs при облучении их электронами с эиергией 45—111 кэв было исследовано в работе [264]. Коэффициент усиления по току при этом составлял 7200 для энергии первичногопучка 45 кэв и увеличивался несколько медленнее, чем энергия первич­ ных электронов.

Следует иметь в впду, что облучение квантами и ча­ стицами высоких энергии, как уже упоминалось, может создавать дефекты в материале р—«-перехода и приводить к необратимому ухудшению его параметров. Поэтому для применения р—7г-перехода в качестве детектора ионизую­ щих излучений важной характеристикой является поро­ говая энергия образования дефектов. Пороговая энергия образования дефектов электронами в арсеипде галлия составляет 236 кэв в субрешетке галлия и 267 кэв в суб­ решетке мышьяка [253] и в два раза выше, чем соответ­ ствующая величина для кремния.

В ряде случаев вместо непосредственной регистрации фотонапряжения, генерируемого фотоэлементом, в изме-

рптелышх схемах целесообразно использовать изменение емкости р—«-перехода, вызванное изменением напряже­ ния при освещении. Приборы такого рода, получившие название фотоварикапов, разработанные па основе вен­ тильных фотоэлементов из арсенида галлпя, были иссле­ дованы в работе [265].

Взаключение следует отметить, что, кроме описанного

внастоящем параграфе вентильного фотоэффекта, для пндпкацип электромагнитного излучения и частиц высо­