63. Фотодиоды с p-n переходом.

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается.

Такой режим работы называется фотодиодным.

Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I₀, который называют темновым. А под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фотодиода приU = const линейны и мало зависят от напряжения

Рис. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима

Вольт-амперную характеристику ­р-п -перехода  при   освещении   можно   записать  следующим образом:

где I_н – ток насыщения в темноте; I_ф—фототок, проходящий через переход; U—внешнее напряжение на переходе. Если во внешней  цепи  I=0,  a  U=U_ф,  то  из   (1.9)  получим

Рис. Энергетические характеристики фотодиода. Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц.. А у фотодиодов со структурой р-i-n граничные частоты повышаются до десятков гигагерц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10-30 В. Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА — для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер. Большинство фотодиодов изготовляется по планарной технологии (рис. 13.6). Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в n-р-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. Рис. Принцип устройства планарного фотодиода. В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС.

64.Солнечные элементы.

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения. Фотоны, воздействуя на р-n переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например для электронов, возникших в р-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в и область. Аналогично дырки перебрасываются полем из n-области в р-область. А для основных носителей, например дырок в р-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т. е. дырки остаются в р-области, а электроны — в n-области (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Разделение возбужденных светом носителей под действием поля p-n-перехода.

В результате такого процесса в n- и р-областях накапливаются избыточные основные носители, т. е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (Еф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис. 13.8). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис. 13.9) возникает фототок, гдеRi -внутреннее сопротивление самого фотоэлемента. Первые вентильные фотоэлементы из гемиоксида (закиси) меди были разработаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко применялись селеновые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой n-типа, на который воздействовал световой поток. Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен. Они имели спектральную характеристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фотометрических методов.

Недостаток вентильных фотоэлементов — низкие частотные свойства и значительная зависимость интегральной чувствительности от температуры. В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов - это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.

65.КПД солнечного элемента. Методы его повышения. В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Повышение КПД солнечных панелей зависит от уменьшения необратимых потерь энергии солнечного света  в процессе взаимодействия с веществом фотеэлектрического элемента. Основные необратимые потери в фотоэлектрических преобразователях такие:

• отражение солнечного излучения от поверхности преобразователя;

• прохождение части излучения через фотоэлемент без поглощения в нём;

• рассеивание на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;

• рекомбинация образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме вещества фотоэлемента;

• внутреннее сопротивление преобразователя.

Для уменьшения необратимых потерь энергии в фотоэлементах применяются различные подходы:

• использование полупроводников с оптимальной для спектра солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

• легирование полупроводниковой структуры;

• переход от гомогенных к гетерогенным, слоистым и пленочным полупроводниковым структурам;

• оптимизация конструктивных параметров фотоэлементов: глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки;

• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от факторов внешней среды;

• разработка фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра;

• создание многослойных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих в каждом отдельном каскаде преобразовывать отдельный участок спектра солнечного излучения.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов ближайшего будущего считаются различные модификации кремния, арсенид галлия GaAs, а также структуры на основе соединений Cu(In,Ga)Se₂.

Некоторые перспективные для фотоэлементов материалы трудно получить в необходимых для массового производства количествах. Особенно экзотические методы увеличения КПД солнечных фотоэлментов, например, с помощью создание слоистых или пленочных структур могут оказаться сложными и дорогими при массовом производстве.