Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 82
Текст из файла (страница 82)
9.23. Эасргстячсская диаграмма гетероперсхода прн обратном нзпрнжсннн н прн оснащения сго квантамн саста с различной энергией (Ьт')Зт) новая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе перехода металл — полупроводник расположена при более коротких волнах электромагнитного спектра. Таким образом, спектральная характеристика фотодиода иа основе перехода металл — полупроводник значительно шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-п-переходом из того же полупроводника.
Кроме того, сопротивление базы фотодиода на основе перехода металл — полупроводник намного меньше. Поэтому постоянная времени т,с оказывается малой и инерционность определяется в основном только временем пролета носителей через область объемного заряда на выпрямляющем переходе металл — полупроводник. Это время пролета может быть порядка 0,1...0,01 нс, что позволяет использовать фотодноды на основе перехода металл — полупроводник при СВЧ-модуляции светового потока.
й Р.й. ЛОЛУЛРОВОДНИКОВйзй ФОТОЭЛйМЕНТЫ Принцип действия Поаупроводпнновый $отоэасмснт — зто поаупроводянковый прнбор с выпрямаяющнм эаектрнчссвнм псрсходом, прсдназначенный дая нспосрсдствснного прсобразованвя световой знсргнв в эасктрпчяскую. Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии. Рассмотрим принцип действия фотоэлемента с р-и-переходом в качестве выпрямляющего перехода. При освещении фотоэлемента из-за ноглощення квантов света в р-и- переходе и областях полупроводника, приле- а р гающих к р-п-переходу, происходит генерация новых носителей заряда.
Диффузионное элек- ф' трическое ноле, существующее в р-п-переходе, производит разделение неравновесных носителей заряда. Другими словами, с точки зрения энергети; ческой диаграммы р-л-перехода (рис. 9.24) неравновесные электроны скатываются с потенциального барьера н попадают в п-область, Рнс. 9.24. Разделеняе неравновссных дырки, наоборот, в р-область.
В результате носнтслсй заряаа накопления электронов в л-области и дырок яа пот«панах»ноя в р-области между этими областями возни- бзр"рс р" ясрсхо да прн поглопгсннн кает дополнительная разность потенцналов-- фото-ЭДС, Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с накоплением дырок в р-области и электронов в и-области происходит понижение высоты потенциального барьера на значение возникшей фото-ЭДС. Уменьшение высоты потенциального барьера или уменьшение суммарной напряженности электрического поля в р-л-переходе ухудшает «разделительные свойства» перехода.
Кроме составляющей фото-ЭДС, которая возникает из-за разделения носителей заряда электрическим полем р-и-перехода или другого потенциального барьера и которая является основной в фотоэлементах, могут быть и другие составляющие. При освещении полупроводника появляется градиент концентрации электронов и дырок, которые диффундируют от освещаемой поверхности в глубь полупроводника. Но коэффициенты диффузии электронов и дырок различны. Поэтому возникает вторая составляющая фото-ЭДС (см. $1.12). Кроме того, при наличии на освещаемой поверхности полупроводника ловушек захвата носителей одного знака возникает третья составляющая фото- ЭДС в результате диффузии в глубь полупроводника носителей заряда другого знака.
389 Технология изготовления и конструкция Срем | В настоящее время фотоэлементы широко применяются в виде солнечных батарей (совокупность электрически соединенных фотоэлементов) для преобразования энергии солнечного света непосредственно в электрическую энергию, питающую установки космических аппаратов. Обычно для этих целей исРнс. 9д5. Структура кремнисвосо фотоэлсмснта, наго- пользуют кремниевые фотоэлементы. товлснного мстолом лнффу- Электронно-дырочный переход в моиоэнн прнмссся кристаллической пластинке кремния с электропроводностью р-типа создают днффузией фосфора или сурьмы (рис. 9.25).
Прн большой концентрации доноров (фосфор или сурьма) в поверхностном слое кремния проводимость п.области получается высокой. Поэтому иевыпрямляющий контакт к этой области можно сделать н виде кольца или рамки, оставив всю поверхность кристалла доступной для освещения. Основные характеристики н параметры Вольт-амперные характеристики. Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фото-ЭДС) при разных освешениостях или световых потоках соответствуют части ВАХ, расположенные в четвертом квадранте (рис.
9.26). Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжениям холостого хода при разных освещениостях. У кремниевых фотоэлементов фото- ЭДС составляет 0,5...0,55 В. Ф 0 Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого ртах замыкания, которые зависят от площади выпрямляющего электрического перехода Охи фотоэлемента. Поэтому сравнивают и оцени- ~хгг вают фотоэлементы по плотностям тока короткого замыкания.
У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания сгг прн средней освещенности солнечным светом составляет 20..25 мА/см'. По ВАХ прн Разных освещенностих фо элсмснта прн рамич- тоэлемеита можно выбрать оптимальный ре- нмк свстовйк потокал, жим работы фотоэлемента, т. е. оптнмаль- паламшнк на фотоное сопротивление нагрузки, прн котором в элемент нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлемента соответствуег наибольшая площадь Зэа 0 0 70 70 70 СОФлм К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлементов, относят отражение части излучения от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света в полупроводнике (без образования пар носителей электрон — дырка), рекомбинацию неравновесных носителей еше до их разделения электрическим полем выпрямляющего электрического перехода (особенно на поверхности кристалла полупроводника), потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента.
В результате при преобразовании солнечного света в электрическую энергию КПД кремниевых фотоэлементов ие превышает 12%. Однако его можно существенно повысить, используя в качестве исходного полупроводника теллурид кадмия, арсеиид галлия и другие материалы с несколько большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния, а также используя фотоэлементы на основе гетеропереходов. 391 прямоугольника с вершиной на ВАХ при данной освещенности (рис. 9.26).
Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение иа нагрузке 0,35...0,4 В, плотность тока через фотоэлемент 15...20 мА/см'. Световые характеристики, фотоэлемента — это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания от светового потока или от освещенности фотоэлемента (рис. 9.27). Сублииейность световых характеристик связана с уменьшением высоты потенциального барь- ил эл м ера при накоплении избыточного за- >0 (О ряда электронов в и-области и дырок / у в р-области.
Ю ц0 Спектральная характеристика фотоэлемента — это зависимость тока 7Ю короткого замыкания от длины волны Д4 падающего света. Спектральные характеристики фотоэлементов анапа- 7 02 гичиы спектральным характеристикам фотодиодов, изготовленных на основе того же полупроводника. Максимум спектральной характеристики крем- Рнс. 927 свсговмс квРв«эв- ристики фптоэлсмснта: нневых фотоэлементов почти соответ- à — прв поросков ээвмквннн; ствует максимуму спектрального рас- г „рв „„„„„,, пределеиия энергии солнечного света.
Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей. Коэффициент полезного действия фотоэлемента — это отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента: т1 Рва к /1 $9.9. ЯтОТОТРАИЗИСТОРЫ И ЯгОТОТтОИСТОРЫ Транзистор, реагируюгпий на облучение световым потоком и способный одновре- менно усиливать фототок, называют фототранзнстором. Бнполяриые фототранзнсторы Биполярный фототранзнстор может быть включен в схему поразному.
Если подать напряжение между базой и коллектором, сместив коллекторный переход в обратном направлении и оставив эмнттерный вывод неподключенным к схеме, то такое включение биполярного фототранзистора ничем не бугу дет отличаться от схемы включения фотоднода. При поглощении квантов а) света в базовой и коллекторнои областях образуются неравновесные пары носителей заряда (электроны и дырки). Неосиовные носители (дырки в и-базе и электроны в р-коллекторе для У транзистора )т-и-)т-типа) диффундируют к коллекторпому переходу, втягиваются существующим там электриб) ческим полем в коллекторный переход и лр и проходят через него, создавая тем самым фототок /о.
Однако биполярный фототранзи92аэггегетическаясоРобычнопРименаюпРивключении р диаграмма фототранзистора, его по схеме с общим эмиттером Поиаходиптегося в затемненном этому раСсмотрим принцип действия состоянии (и) н прн освеше- биполярного фототранз стор., пни (б) и а, включенного по схеме с общим эмиттером. Предположим вначале, что базовый вывод ие подключен к схеме, т. е. ток базы равен нулю (!и = 0).
В этом случае неосновиые носители заряда, проходя через р-л-переход коллектора, создают тот же фототок 1о, Неравновесиые основные носители — электроны в п-базе, возникшие из-за поглощения там квантов света, и электроны, пришедшие в базу из коллектора, — оказываются в своеобразной потенциальной яме (рис. 9.28). Накопление в базе неравновесных основных носителей заряда понижает высоту потенциальных барьеров эмиттериого и коллекториого переходов.
Из-за уменьшения высоты потенциального барьера эмиттерного перехода увеличивается ннжекция дырок из эмиттера в базу (рис. 9.28, б). Соответственно возрастает и ток коллектора. Таким образом, накопленный в базе биполярного фототранзистора дополнительный заряд неравновесных основных носителей обеспечивает усиление фототока, т. е. при освещении результирующий ток коллектора го = йе1э)о. 392 При подключении вывода базы к внешней схеме ток базы может изменяться при освещении фототранзнстора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
