Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 96
Текст из файла (страница 96)
В рассматриваемых приборах фототок, как правило, имеет три компоненты, которые связаны с поглощением: фотонов с энергией порядка энергии барьера на границе металл-полупроводник; фотонов коротковолновой части оптического спектра в обедненной областиперехода; длинных волн в нейтральной области полупроводника, где генерируются электронно-дырочные пары, диффундирующие в сторону обедненного слоя.Первая :Компонента обычно составляет- 0,01от полного токаи, как правило, не учитывается.
Таким образом, две основныекомпоненты спектрального отклика и фототока связаны с генерацией носителей в обедненном слое и в объеме базовой области.Разделение носителей в обедненном слое происходит так же, каки в обычном р-п-переходе. Переход выполняется таким образом, чтобы сильное поле обедненного слоя выносило из него носители за время, меньшее времени рекомбинации. Для увеличения фототока следует увеличивать коэффициент пропусканияструктуры и диффузионную длину фотоносителей.
Спектральный отклик элемента с' барьером Шоттки несколько меньше,чем у элемента с р-п-переходом, из-за отражения и поглощениясвета металлической пленкой. Однако последний вид потерь может быть сведен к минимуму. Коэффициент пропускания светазолотыми пленками толщиной- 10- 7 ••• 10-6 см при наличии просветляющего покрытия может достигать90 ... 95%.Расчеты показывают, что КПД идеализированного элемента,не имеющего потерь на отражение и резистивных потерь, возрастает с увеличением высоты потенциального барьера на :контакте металл-полупроводник. Его максимум достигается приэнергии барьера, равной ширине запрещенной зоны и составляет:- 25%дляGaAs; - 22%дляSi;менее13%дляGe.Эти значения КПД близки к предельным КПД элементов нар-п·гомопереходах.Для получения большой высоты потенциального барьера при:контакте с полупроводником п-типа используют металлы с вы-~'tГлава 16.
Оптоэлектронные приборы507f1..-..------------------------------iсокой работой выхода, а для полупроводников р-типа - метал~·11~ с низкой работой выхода.Солнечные элементы на МДП-структурах имеют между ме-f1~аллом и полупроводником тонкий(~. ка.10-5 см)слой диэлектриПреимущества этих элементов: повышенная эффективность~при облучении коротковолновым светом из-за сильного поля в1,µоверхностном слое, отсутствие кристаллических дефектов,'возникающих при диффузии примесей во время создания эле.
ментов с р-п-переходами.Такие элементы имеют КПД~в18%условиях облучения на Земле при освещении Солнцем, находящимся в зените. При создании таких структур не надо проводить высокотемпературную диффузию, их можно изготавливать на полукристаллических и аморфных подложках. Поэтомусолнечные элементы на МДП-структурах как источники энергии наиболее выгодны с экономической точки зрения по сравнению с другими типами СП.Тонкопленочные солнечные элементы выполняются из поли·f':кристаллических или неупорядоченных полупроводниковых~Пленок, нанесенных или выращенных на электрически активl:·ных или пассивных подложках (керамика, металл, стекло, пла[ стмасса, кремний и т.
д.). Они находят широкое применение; из-за низкой стоимости, обусловленной простотой технологии идешевизной используемых материалов. Однако эти приборыимеют низкий КПД и деградацию характеристик во времени,обусловленные тем, что пока не удается изготовить высококаче-: ственные пленки, слабо реагирующие с окружающей средой.В последнее время в качестве одного из основных материаловдля изготовления тонкопленочных солнечных элементов испол:ьзуют аморфный кремний, который называетсяa-Si.Кристаллический и аморфный кремний сильно различаются.
В отличие откристаллического, аморфный кремний близок по своим свойст-. вамкпрямозонномуполупровод-нику с шириной запрещенной зоны~1,6 эВ, что хорошо видно из срав-нения зависимостей коэффициентапоглощенияотдлиныhv,2,51,81,4эВ1,1а, см-~волныдля этих материалов (рис.Пленкиo:-Siтолщиной16.40).1."3 мкмобычно выращивают на стеклянliых подложках, покрытых слоемметалла. На них бьmи созданы солнечныеэлементыс р-п-перехо-10 2 ~-~-~-~~-~0,3 0,5о, 70,9 л., мкмРис.16.40Раздел5084.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИдами и барьерами Шоттки. Дляa-Si коэффициент поглощения104 ••• 105 см- 1 ,излучения в видимой части спектра составляетпоэтому большинство фотоносителей генерируется на расстоянии меньше одного мкм от поверхности, диффузионная длинаимеет тот же порядок величины, последовательное сопротивление велико (~104 Ом• см),КПД соответственно мал.
Для элемента с барьером Шоттки и прозрачным металлическим слоемнаилучmий КПД ~ 6% .16.7. Электровакуумные фотоприемники16.7.1. Фотоэлементы.Устройство. Принцип работы.Элекrровакуумные фотоэлекrронные приборы-это приборы, которые преобразуют энергию электромагнитного излучения вэлектрические сигналы. Принципы работы электровакуумныхфотоэлектронных приборов основаны на использовании фотоэлектронной эмиссии (см. п.11.2).В этой главе рассматриваются только основные свойства электровакуумных фотоэлектрических приборов, к которым относятся фотоэлементы и фотоэлекrронные умножители.Фотоэлементомназываютэлекrровакуумный прнбор,использующий при своей работе явление внешнего фотоэффекrа.
Различают элекrровакуумные и газонаполненные фотоэлементы, которыеотличаются друг от друга степенью разреженности газа в рабочем пространстве. В настоящее время наиболее широко применяются электровакуумные фотоэлементы, :которые имеют дваэлектрода: фотокатод, служащий источником фотоэлекrронов, исобирающий их анод. Анод изготавливают в виде плоской сетки, кольца, диска и т. д.
(рис.16.41);конструктивно анод вы-ка)б)Рис.в)16.41Глава16.Оптоэлектронные приборы509полняется так, чтобы он не создавал больших потерь для света,:падающего на фотокатод.Основными параметрами фотокатодов являются: интегральная и монохроматическая тоновая чувствительности, квантовый выход,удельное (поверхностное) сопротивление на1 см 2 площади фоточувствительного слоя, плотность тона термоэмиссии при комнатной температуре. По области рабочего спектра фотокатоды разделяютсяна фотокатоды, работающие в -УФ, видимой и ИК областях облучения.
При этом наибольшее применение находят фотокатоды на основе полупроводниковых материалов. Фотоэлементыклассифицируются на основе конструктивных признаков фото.катодов. В соответствии с этим все фотоэлементы можно разбить на три группы (см. рис.1)16.41):фотоэлементы с массивным непрозрачным фотокатодом (:К), нанесенным на часть стеклянной колбы (баллона) (рис.16.41, азаштрихованная часть баллона); используются как приемники постоянных или модулированных низкой частотой(f < 20кГц) световых потоков в контрольно-измерительной аппаратуре, автоматике, аппаратуре звуковоспроизведения;2)фотоэлементы с массивным небольшим катодом, нанесеннымили на дно баллона, или на специальную металлическуюпластину (рис.16.41, б);предназначены для приема сфокусированного излучения малой интенсивности; для уменьшения токов утечки служит охранное кольцо (О:К), а выводы катода (:К) и анода (А) располагаются с противоположных сторон баллона;3)импульсные сильноточные элементы с фотокатодом на металлической подложке (рис.16.41,в) имеют малое продольное10-3 с), линейнуюсопротивление, малую инерционность(~энергетическую характеристику и большую эмиссионнуюспособность, достигающую 100 А при длительности импульса до10-9 с.Фотоэлементы первой, второй и третьей групп имеют рабочее напряжение менее240 В, 100 Ви2 кВсоответственно.
Дляуменьшения токов утечки в баллон часто вваривают специаль.ные охранные кольца О:К (см. рис.16.41,б). При конструировании импульсных фотоэлементов стремятся уменьшить влияниевремени пролета фотоэлектронов между :Катодом и анодом, междуэлектродные емкости,сопротивленияииндуктивностивыводов, поэтому выводы катодов делают короткими, а выводы анодовРаздел5104.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИчасто выполняют в виде кольца или применяют коаксиальные выводы.
Импульсные элементы, предназначенные для измеренийкоротких световых вспышек, имеют междуэлектродную емкость3 ... 4 пФ,а временное разрешение 't ~16. 7 .2.10-8 ••• 10-11 с.Параметры и характеристики фотоэлементов.Б качестве параметров фотоэлементов, как и для полупроводниковых фотоприемников, используются чувствительность, квантовый выход (квантовая эффективность), шумы, минимальнорегистрируемая мощность излучения (пороговый поток), обнаружительная способность, темновой ток, постоянная времени,сопротивление.
Эксплуатационные и конструктивные параметры: максимально допустимая рассеиваемая мощность, нестабильность чувствительности и темнового тока во времени, температурный коэффициент чувствительности и др.К основным характеристикам фотоэлементов относятся: спектральные, вольт-амперные, энергетические, частотные, температурные.Вольт-амперная харакrернстнка (ВАХ) IФ =f(Иа>· БАХ фотоэлементов называют зависимость фототока IФ от напряжения анодаИа при неизменном световом потоке Фтоэлемента представлена на рис.(участокI= const. Типичная БАХ фо16.42.При малых значенияхU8на рис.заряда (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
