Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

в шум-фактор вносит лишь флуктуация величины М для одного типа носителей. Если же коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок близки и оба типа носителей дают сравнимый вклад в умножение носителей, то флуктуация числа рождаемых электронами носителей умножается на флуктуацию числа рождаемых дырками носителей, что и вызывает большую относительную флуктуацию величины М (шум-фактор оказывается существенно выше). Поэтому для получения высокого отношения сигнал/шум в лавинных фотодиодах их стремятся изготовить из полупроводников с сильно различающимися ап и схр. На с. 120 мы уже обсуждали, как использование сверхрешеток может помочь изменить отношение а п / о > .

Для получения низкого значения F необходим не только соответствующий выбор полупроводника, но и правильная конструкция лавинного фотодиода. Расчеты показывают, что если

в область сильного поля инжектируются только электроны, то

шум-фактор равен [14]

^г-^МО-г)- (7-зо)

Из этой формулы следует, что для получения низкого шумфактора необходимо, чтобы а р / а п было много меньше 1. Аналогичное (7.30) выражение с заменой отношения а р / а п на а п / а р может быть записано для случая, когда в область сильного поля инжектируются только дырки. Поэтому если для изготовления лавинного фотодиода выбран полупроводник с а п » а р , то для получения наименьшего значения F фоточувствительная область фотодиода должна располагаться так, чтобы в область умножения поступали электроны. В случае а п < а р такими носителями должны быть дырки.

В последнее время при разработке сверхбыстродействующих лавинных фотодиодов разработчики столкнулись с трудностью получения высокой квантовой эффективности в таких диодах. Дело в том, что для создания приборов с полосой пропускания более 20 ГГц необходимо, чтобы толщина фоточувствительной области не превышала ~0,5 мкм. Даже при использовании прямозонных полупроводников, для которых характерен высокий

«зеркал» этого резонатора, их изготавливают в виде многослойной структуры из различных полупроводников (например, SiojGeo.s/Si). Два таких зеркала заставляют падающее излучение многократно пройти через поглощающий слой и тем самым

обзорах [288, 289].

М

Рис. 7.13. Зависимость мощности сигнала и шума на выходе лавинного фотодиода от коэффициента умножения М и выбор оптимальных условий для получения наибольшего отношения сигнал/шум. На верхней шкале указано напряжение смещения на фотодиоде, необходимое для получения заданного коэффициента умножения [263]

Преимущества, которые дает использование лавинных фотодиодов, могут быть легко поняты из анализа экспериментальной кривой, показанной на рис. 7.13. Поскольку лавинные фотодиоды обычно используются для регистрации быстропротекающих процессов, то для получения высокого быстродействия их подключают к усилителям с низким входным сопротивлением (для получения низких значений постоянной времени заряда барьерной емкости р-п-перехода). В этой ситуации, в соответствии с рис. 7.10, основным источником шума фотоприемного устройства становится шум усилителя (шум сопротивления нагрузки). Поэтому, чтобы увеличить отношение сигнал/шум, необходимо использовать внутреннее усиление сигнала в лавинном фотодиоде. Пока уровень шума лавинного умножения мал по сравнению с шумами усилителя, отношение сигнал/шум быстро возрастает с увеличением М . Когда шумы лавинного умножения

2400

длина волны, мкм

Рис. 7.14. Распределение солнечной энергии по спектру при различной толщине «воздушной массы». Заштрихованная область отвечает области видимого излучения [14]

При прохождении солнечного света через атмосферу его энергия немного ослабляется за счет поглощения излучения парами воды в инфракрасной области, поглощению ультрафиолетового излучения озоном и рассеянию света находящимися в атмосфере частицами пыли и аэрозолями. Изменение интенсивности солнечного излучения при прохождении атмосферы характеризуется «толщиной воздушной массой» (AM), которая численно равна секансу угла между положением Солнца и зенитом. Приведенные на рис. 7.14 спектры AMI и АМ2 отвечают спектральному распределению энергии Солнца, находящегося в зените и под углом 30° к горизонту. Полная мощность солнечного излучения при AMI составляет 92,5 мВт/см2, при АМ2 — 69,1 мВт/см2 .

Фотовольта ические приемники, рассмотренные нами в п. 7.1.4, идеально подходят для создания фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрический ток. Однако при этом в конструкцию этих приборов требуется ввести изменения, необходимые для получения высокого к.п.д.

Поскольку свет, проникающий в полупроводник, создает там электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем р-п-перехода и создают фотоэлектрический ток, вольт-амперную характеристику фотоэлектрического преобразователя можно представить как вольт-амперную характеристику р-n-перехода, смещенную по оси ординат на величину

здавать электронно-дырочные пары, уменьшается при сдвиге края собственного поглощения в коротковолновую область. Считая, что ток насыщения р-п-перехода описывается уравнением (1.31), для известного распределения энергии в спектре излучения Солнца можно рассчитать зависимость теоретического к.п.д. преобразователя солнечной энергии от ширины запрещенной зоны полупроводника. Эта зависимость, рассчитанная для элемента, работающего при 300 К при освещении солнечным излучением через воздушную массу толщиной АМ1,5, показана на рис. 7.16 [14]. Видно, что для изготовления солнечных элементов наиболее подходят полупроводники с шириной запрещенной зоны в интервале 1-1,6 эВ. Максимальная теоретическая эффективность преобразования, равная 31%, достигается при Ед =

-1,35 эВ.

Концентрация солнечного излучения с помощью зеркальных или линзовых оптических систем позволяет за счет увеличения напряжения холостого хода увеличить к.п.д. преобразователя теоретически до 3 7 % (см. рис. 7.16).

Дальнейшее повышение к.п.д. возможно при использовании

каскадных фотопреобразователей, изготовленных из освещаемых

«насквозь» последовательно включенных р-n-переходов из нескольких полупроводников с разной шириной запрещенной зоны (см. рис. 7.17).

&

t* В4

Рис. 7.16. Теоретический к.п.д. солнечных элементов, изготовленных из разных полупроводников, при естественном освещении (с=1) и 1000-кратной концентрации солнечного излучения (с = 1000). Толщина воздушной массы равна AMI,5» Т = 300 К [14]

меньшую площадь, обеспечивая при этом достаточно низкое сопротивление контакта. Поверхностный легированный слой намеренно делается очень тонким (0,1-0,5 мкм), чтобы элемент сохранял высокую эффективность преобразования и в коротковолновой части спектра излучения Солнца, которое поглощается в очень тонком слое полупроводника (сильно легированный слой характеризуется невысоким временем жизни и поэтому носители, рождаемые вблизи поверхности полупроводника, наиболее сильно подвержены поверхностной рекомбинации). Для уменьшения отражения света от границы раздела кремний-воздух на поверхности солнечных фотопреобразователей создается просветляющее покрытие (из SiC>2, Si3N4, ТагОб) или поверхности элемента придается рифленая форма. В последнем случае геометрия бороздок на поверхности подбирается так, чтобы поток света, отраженный от поверхности элемента, вновь направлялся на солнечный элемент; это обеспечивает более полное поглощение света [14].

Отдельный кремниевый солнечный элемент площадью 2 см2

в солнечную батарею позволяет получить от нее существенно ббльшие напряжение и ток.

При использовании солнечных элементов в условиях космоса особое значение приобретает вопрос об их радиационной стойкости. Дело в том, что облучение этих элементов частицами высоких энергий приводит к рождению в полупроводнике радиационных дефектов. Влияние этих дефектов на время жизни можно с хорошей точностью описать уравнением

где г и то — время жизни в облученном и необлученном материале, Ф — поглощенная доза радиации, а К — константа, зависящая от вида частиц, Уменьшение времени жизни приводит к уменьшению диффузионной длины (то есть уменьшению эффективности собирания электронно-дырочных пар) и увеличению тока насыщения и тока рекомбинации в области пространственного заряда. Оба эти фактора вызывают уменьшение выходной мощности солнечных элементов (их деградацию).

В работе [296] было показано, что повысить радиационную стойкость кремниевых р-п-переходов можно дополнительно легируя кристалл примесью лития, которая легко диффундирует