Здавалка
Главная | Обратная связь

Солнечные преобразователи.



Фотодиоды.

Фотодиод (ФД) – полупроводниковый диод, обратный ток которого может управляться излучением. В ФД имеется специальное окно, через которое свет попадает на выпрямляющий контакт. Принцип действия ФД основан на фотогальваническом эффекте при обратном смещении выпрямляющего перехода, используется третий квадрант ВАХ. В семейство фотодиодов входят приборы с p-n-переходом, с p-i-n-структурой, с контактом металл-полупроводник и с гетеропереходом.

 
 

На рис.7.6 приведены схема включения (а), семейство ВАХ при заданных световых потоках (б) и характеристика передачи (в) ФД. Фототок линейно зависит от светового потока.

Германиевый ФД имеет узкую спектральную характеристику, лежащую в ИК-области с максимумом чувствительности при l=1,55 мкм. Спектральная характеристика кремниевых ФД шире, максимумом чувствительности лежит в области l=0,6¸1 мкм.

Основные параметры ФД – такие же как и фоторезисторов: монохроматическая токовая чувствительность SIl=IФ /Pl, интегральная токовая чувствительность SIS=IФ /P, время фотоотклика (tнр и tсп), граничная частота fгр.

Инерционность фотодиодов определяется временем диффузии к обедненной области tдф, временем дрейфа tдр через обедненную область и емкостью обедненной области Cбар. Типичные времена переключения для фотодиодов ~10-8с.

Высокое быстродействие достигается в p-i-n-фотодиоде. В этом диоде сильно легированные p+- и n+-области разделены слоем полупроводника с собственной проводимостью (i-слой). При обратном смещении обедненная область распространяется на весь i-слой, и генерация носителей происходит именно в этом слое. Тем самым исключается tдф. Толщина i-слоя существенно больше, чем толщина p-n-перехода в обычных ФД, поэтому Cбар мало. Граничная частота p-i-n-фотодиодов может достигать 10 ГГц.

В фотодиодах с барьером Шоттки выпрямляющий контакт образуется между полупроводником и тонкой полупрозрачной пленкой металла, пропускающей большую часть падающего излучения. Эти диоды обладают высокой эффективностью в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В этих областях коэффициент поглощения в полупроводниках очень велик
(>105см-1) и эффективная глубина поглощения мала (1/a<0,1мкм), поэтому падающее излучение в основном поглощается вблизи поверхности полупроводника. Квантовая эффективность может достигать 70%, инерционность этих приборов определяется временем пролета носителей через область объемного заряда (10-10÷10-11с).

Фотодиоды на гетероструктурах позволяют получить квантовую эффективность, близкую к 100%.

Если к p-n-переходу приложить напряжение, близкое к напряжению лавинного пробоя, можно получить усиление фототока за счет лавинного умножения генерированных светом носителей. Лавинные фотодиоды применяются при обнаружении слабых оптических сигналов.

 

Фототранзисторы.

Фототранзисторы отличаются от обычных транзисторов наличием фотоприемного окна, через которое оптическое излучение проникает сначала в базовый слой, а затем в коллекторную область. Устройство и схема включения биполярного фототранзистора показано на рис.7.7а. Фототранзистор состоит из эмиттерной области, области базы, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку, и широкой коллекторной области Роль фоточувствительного элемента выполняет переход база-коллектор, поэтому он имеет большую площадь.

Фототранзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером (рис.7.7б). При разомкнутой цепи базы (плавающая база) в отсутствие облучения протекает темновой ток, равный Iкэ0. При освещении транзистора в его базовой и коллекторной области генерируются электронно-дырочные пары, которые разделяются полем коллекторного перехода. Неосновные носители экстрагируются из базы коллектором, основные носители, генерированные в базе и те, которые приходят в базу из коллектора, понижают потенциальный барьер на эмиттерном переходе, что вызывает дополнительную инжекцию неосновных носителей в базу. Эквивалентная схема фототранзистора приведена на рис.7.7в, где ток фототок моделируется фотодиодом, включенным между базой и коллектором. Фототок, протекающий через коллекторный переход, эквивалентен отпирающему току базы, который усиливается транзистором в β раз. Общий коллекторный ток

Iкэ=Iф+βIф+Iкэ0=(β+1)Iф+Iкэ0

Таким образом, фототок усиливается транзистором в (β+1)раз.

Времена переключения фототранзистора определяются эквивалентной постоянной времени τое+(β+1)RкCк, они на 2-3 порядка больше, чем у фотодиодов.

 

 


Фототиристоры

Это полупроводниковые приборы, используемые для коммутации световым сигналом электрических цепей большой мощности.

Структура фототиристора аналогична структуре обычного тиристора, отличаясь наличием окна, через которое свет попадает на обе области базы тиристора. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к возрастанию коэффициентов α и включению тиристора. Таким образом, фототок выполняет функцию тока управляющего электрода. Условное обозначение и эквивалентная схема приведены на рис.7.8. ВАХ фототиристора аналогична ВАХ обычного тиристора с тем отличием, что параметром характеристики является световой поток.

Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания импульса светового потока. Для его выключения необходимо уменьшить напряжение или ток до значений, меньших напряжения или тока удержания.

Параметры фототиристора: пороговый световой поток или пороговая мощность излучения при заданном напряжении источника питания; минимальная длительность импульса светового потока, обеспечивающего включение при заданном световом потоке; время включения и выключения; рабочая длина волны. Кроме этого фототиристор характеризуется максимально допустимыми значениями выходного тока, рабочего напряжения и скорости нарастания выходного напряжения.

Темновое сопротивление – 108 Ом (запертое состояние), сопротивление во включенном, открытом состоянии до 10-1 Ом. Время переключения 10-5 – 10-6 сек.

 

Солнечные преобразователи.

Фотогальванический эффект используется в полупроводниковых фотоэлементах для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. Их основное применение – для преобразования солнечной энергии. В преобразователях с p-n-переходом применяются кремний и арсенид галлия, но предпочтение отдано кремнию.

На рис.7.9 приведены ВАХ солнечных преобразователей с площадью p-n-перехода S=1см2 при плотности мощности Pпд=0,2 Вт/см2 и Т=20оС. Они соответствуют четвертому квадранту ВАХ освещенного p-n-перехода. Преобразователь на основе GaAs имеет большее значение фото-ЭДС (вследствие большей ширины запрещенной зоны) но меньший ток короткого замыкания. Диффузионная длина неосновных носителей в кремнии больше, чем в арсениде галлия, поэтому выше квантовый выход hф и ток Iкз. Предельный расчетный КПД кремниевого преобразователя 23% получен без учета потерь при hф=1. Реальные КПД кремниевых преобразователей 14-18%, арсенид-галлиевых – 11%.

При подключении нагрузки ток Iн и напряжение Uн во внешней цепи определяются точкой пересечения ВАХ и линии нагрузки (рис.7.10). Площадь прямоугольника IнUн пропорциональна мощности, отдаваемой преобразователем в нагрузку; при оптимальном сопротивлении нагрузки достигается максимальная мощность.

На рис.7.10 показана структура кремниевого преобразователя: 1 – фронтальный металлический электрод на освещаемой поверхности; 2 – тыльный металлический электрод, полностью покрывающий поверхность кристалла с неосвещаемой стороны; 3 – просветляющее покрытие из монооксида кремния SiO. Чтобы не затенять освещаемую поверхность, ширина фронтального электрода не превышает 1мм.

В эквивалентной схеме (рис.7.11) генератор тока Iф моделирует фототок, диод VD – диффузионный ток p-n-перехода, резистор Rу имитирует сопротивление утечки p-n-перехода, резистор rs – потери в объеме p- и n-областей и контактах металл-полупроводник. Омические потери в резисторах Rу и rs уменьшают выходную мощность и КПД преобразователя и предпринимаются специальные меры для уменьшения их влияния.

Отдельные элементы соединяются в солнечные батареи. Кремниевые преобразователи позволяют получать мощность до 100 Вт с квадратного метра площади при удельной мощности 50 Вт/кг.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.