Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Излучение проходит через оптическую среду (канал)2и в фотоприемнике3преобразуется в электрический сигнал. Исходный сигнал, претерпевая двойное преобразование,испытывает некоторые искажения, которые должны быть минимальны.Гальваническая развязка входной цепи «Вх»и выходной«Вых» достигается за счет оптически прозрачной диэлектрической среды между приемником и излучателем, которые должны быть оптически согласованы. Спектральное согласованиесветоизлучателя и фотоприемника реализуется соответствующим выбором их материалов. В качестве светоизлучателей в оптопарах используются преимущественно светодиоды. Применение оптических квантовых генераторов (лазеров) оправдано вбыстродействующих устройствах.Глава16.495Оптоэлектронные приборыДля оценки свойств оптронов используются следующие параметры, определяющие характеристики излучателей, фотоприемников, оптического сигнала и электронных устройств:Sи-эффективность излучателя, зависящая от типа прибора, режима возбуждения, температуры и т.
д., Вт/А; SФ- чувствительность фотоприемника с учетом внутреннего усиления,А/Вт; Копт -КУ-передаточный коэффициент оптического канала;передаточный коэффициент электронной схемы связи, в томчисле и обратной, осуществляющей взаимодействие приемника иизлучателя.При расчетах оптронов в зависимости от режима работы применяются как дифференциальные, так и интегральные параметры.Одним из основных параметров оптронов является коэффициент передачи по какому-либо параметру.
Для оптопары этоможет быть коэффициент передачи по току, представляющийсобой отношение выходного и входного токов:(16.10)Используя значенияSuи SФ, рассмотренные при описанииизлучателей и фотоприемников, и зная коэффициент передачиоптического канала (среды}, нетрудно рассчитать общий коэффициент передачи оптопары.Для регенеративного оптрона обычно рассматривают коэффициент регенерации оптрона Крег· Этот параметр характеризует изменение величины сигнала при прохождении замкнутойсистемы приемник-излучатель-устройство связи:(16.11)гдеS -чувствительность устройства связи.В регенеративном оптроне при Крег»1 можетвозникнуть генерация, т.
е. вся система становится неустойчивой. Из-за двукратного преобразования энергии в этом типе оптронов (например, оптический сигнал сначала преобразуется в электрический и затем электрический в оптический) КПД мал.Для диодных и транзисторных оптопар, применяемых в цифровых системах передачи информации, используют комбинированный параметр (параметр качества), представляющий собойотношение коэффициента передачи по токуKi:к времени за-496Раздел4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИдержки распространения сигнала tзд• т.
е. КJtзд =К (с- 1 ). Диод10 7 с- 1посравнению с транзисторными, но очень низкий коэффициентKiные оптопары имеют лучший параметр качества К~(~0,02 ... 0,03),и поэтому после диодных оптопар требуется дополнительное усиление выходного сигнала, как правило, с использованием микросхем.Транзисторные и тиристорные оптопары, применяемые дляоптической коммутации сильноточных высоковольтных цепей,имеют в качестве критерия качества коэффициент передачи помощности, определяемый как отношение мощности в выходнойцепи к мощности на входе.
Этот параметр принимает значения106 ••• 107 •Времена переключения тиристорных и транзисторныхпар имеют типичные значения от1 до 50мкс.Резисторные оптопары характеризуются выходным сопротивлением, которое может изменяться на7-8 порядковв зависимости от режима во входной цепи.
Этот вид оптопар наиболеераспространен в аналоговых устройствах. Недостаток резисторных оптопар-их низкое быстродействие и нестабильность параметров при изменении температуры.При анализе цепей оптопара представляется обычно четырехполюсником. В оптроны с управляемым оптическим каналоммежду излучателем и фотоприемником помещается электрооптический или магнитооптический элемент, светопропусканиекоторого регулируется электрически. Та~ой оптрон представляет собой шестиполюсник с двумя двухполюсными входами(по цепи ·излучателя и по цепи управления оптическим каналом) и одним двухполюсным выходом.16.6.
СолнечныепреобразователиСолнечный преобразователь (СП), или солнечный фотоэлемент, представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий солнечное излучение в Электрическую энергию.В основу работы СП положен фотовольтаический эффект вр-п-переходе. Совокупность СП, объединенных в единой, какправило плоской, панельной конструкции, называется солнечной батареей. Солнечные батареи являются основным источником энергии на спутниках и космических кораблях. Они начинаютуспешноприменятьсяразличной мощности.инаназемныхэнергоустановкахГлаваI,_, Вт/(м216.
Оптоэлектрон1-1ыеприборы497·мкм)2,0Рис.Л., мкм16.32Поскольку СП предназначены для преобразования солнечной энергии, необходимо стремиться идеально согласовать ихспектральные характеристики со спектром излучения Солнца.На рис.16.32приведено распределение интенсивности солнеч1ного :излучения по спектру: криваясоответствует солнечномуспектру в свободном пространстве за пределами атмосферы,т. е.
в условиях работы СП на спутниках и космических летательных апnаратах;2-ли,находится вкогда Солнце(кривая1)солнечный спектр на поверхности Земзените.Для первого случаяnолная мощность излучения составляетдля второго (кривая2) - 925 Вт/м21353 Вт/м 2 ,•Существует достаточно много разнообразных конструкций солнечных элементов. Рассмотрим в качестве примера устройствокремниевого солнечного элемента с р-п-переходами (рис.16.33),поскольку оно является своеобразным эта2лоном при создании всех солнечных ба -3тарей. Солнечный элемент, изображенныйна рис.хода16.33, состоит из мелкогор-п-пере(1),сформированного у поверхности;рлицевого (поверхностного) полоскового омического контакта 2; просветляющего покры1ческого сплошного4а)3 тьшового омиконтакта 4.
Рис. 16.33, бтия на лицевой поверхностииллюстрирует структуру полоскового электрода2 на виде сверху. Недостаток этой кон- наличие тени от металличеструкцииских контактов, уменьшающее эффективб)ность прибора, и большой коэффициентотражения света от поверхности элемента.Рис.Si16.33498Раздел4.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИРис.16.34Одним из лучших по своим характеристикам является солнечный элемент, показанный на рис.16.34, где 1 -текстурированная поверхность с повышенным уровнем легирования донорами (п+);2-коллектора;р-область элемента;4-3-металлические контакты п+металлические выводы базы.
Сверху элементимеет просветляющее покрытие (на рисунке не изображено).Текстурированная поверхность создается с помощью анизотропного травления поверхности кремния, ориентированной вопределенном кристаллографическом направлении. В рассматриваемом элементе отсутствует тень от металлических электродов и проще реализуются межсоединения элементов, посколькуздесь электроды располагаются на тыловой поверхности.
Этотприбор функционирует подобно биполярному транзистору п+ р-п+-типа с изолированным п+-эмиттером, расположенным натекстурированной лицевой поверхности. Рассмотрим основныефизические процессы, протекающие в солнечном преобразователе (элементе).В основе устройства обычного солнечного элемента лежит освещаемый р-п-переход, работающий без внешнего электрическогосмещения. В солнечных элементах используется собственное поглощение. Когда на элемент попадает солнечный свет, фотоны сэнергией, большей энергии ширины запрещенной зоны, генерируют электронно-дырочные пары, при этом для ионизации атомовдостаточно энергии фотонаhv=ЛЕ 3 • Остальная энергия фотоновпереходит преимущественно в тепло.
Как неоднократно отмечалось, скорость генерации при удалении от поверхности уменьшается, при этом короткие волны поглощаются в более верхних слоях по сравнению с более длинными (см. п.16.2).Скорости генерации электронно-дырочных пар как функции расстояния х отповерхности солнечного элемента, показанного на рис.16.35, аГлава16. Оптоэлектронные приборы.499(заштрихованная часть соответствует. р- п-переходу),для длиннорволнового и коротковолнового излучений приведены на рис.16.35,б.Поскольку в верхних слоях образуется множество фотоносителей, зах6)G(x, А.)счет диффузии они начинают перемещаться в сторону обедненной областиперехода,внутреннимгдеполемразделяютсяр-п-перехода.оЭлектроны остаются в п-области, ахРис.16.35дырки, для которых поле переходаявляется ускоряющим, перебрасываются в р-область.
Электроны и дырки, появляющиеся в обедненном слое под действиемсвета, выносятся из него сильным электрическим полем перехода, практически не рекомбинируя. Поэтому фототок обеднен-.ного слоя определяется числом фотонов, поглощаемых в этомслое в единицу времени.Полный фототок, возникающий в фотоэлементе при поглощениисвета,равенсуммедырочногоиэлектронноготоков,протекающих через границы перехода, и дрейфового фототока,рожденного непосредственно в р-п-переходе.
Если цепь элемента разомкнута, фотоносители накапливаются в соответствующих областях и компенсируют часть объемного зарядаионов примеси в обедненной области р-п-перехода. Потенциальный барьер на переходе уменьшается пропорционально величине компенсации этого заряда, и на выводах элемента возникает напряжение, которое при разомкнутой внешней цепиназывается напряжением холостого хода И хх• Это явление, как отмечалось в п.16.4,называется фотовольтаическим эффектом. Если цепь замкнуть накоротко (Rн=О), в ней потечет ток, обуслов-ленный фотоносителями. Этот ток называется током короткогозамыкания Jкз· При наличии нагрузки, т. е.
когда Rн ;е О, в цепипротекает ток меньшеU н·,I кз и на Rн создается падение напряженияЕсли на освещенный элемент подавать внешнее обратное сме-щение, к фототоку добавляется обратный ток р-п-перехода, т. е.при обратном смещении полный ток равен Jкз+ Jобр·работы испольЗуется в фотоприемниках (см. п.Этот режим16.4).При прямых смещениях, больших И хх• ток инжекции через переход начинает преобладать над фототоком и освещаемый переход рабо-Раздел5004.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИтает как обычный р-п-переход.I,мАБАХ такого прибора определяется выражением (см. п.80601I10=[ехр2.3)(qU /kT)-1]- IФ,40(16.12)20где16 20 И/q>т12 810~ обратный ток идеали-зированного р-п-перехода (см.п.2.3);IФток, обусловлен-ный фотоносителями.Еслиа)взять за основуные,соответствующиенойБАХидеализированногор-п-перехода (п.2.3,иФ'учестьданрасчетрольIрис.то2.4),графикБАХ, определяемый формулойI,мА(16.12), имеет для IФ = 100 мАи 1 0 = 0,1 мкА вид, изображенный на рис.
16.36, а, кривая 1.Irn8060Значениятоковинапряже40ний,20БАХ, расположенной в четвертомО4812 16 20 И /с:ртб)соответствующиеквадранте,чаю,когдачастиотвечаютприборслуявляетсяисточником энергии. Часто этуРис.часть БАХ солнечного элемента16.36представляютном на рис.16.36, б.Если в(16.12)положитьIввиде,показан=О, можно получить выражение для напряжения холостого хода (И= И хх):(16.13)Из формулы (l6.13) хорошо видна роль тока I 0 • Величина Иххвозрастает с уменьшением обратного тока, когда он достигает насыщения приIФ=const,поэтому в солнечных фотоэлементах стремятся по возможности существенно Понизить силу обратного тока.Формулы (16.12) и (16.13) позволяют рассчитывать значения токаI т и напряжения Ит, при которых фотоэлемент выдает максималь-ную выходную мощность Рт=правую части(16.12) наI тИт·Для этого, умножая левую иИ, получаем формулу для выходной мощности Р и находим ее максимум из условияdP jdU =О.Глава16.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
