 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Основные характеристики и параметры полупроводниковых фотоэлементов
Вольт-амперная характеристика. Режиму работы фотоэлемента(режиму генерации фото-ЭДС) при разных освещенностях или световых потоках соответствуют части ВАХ, расположенные в третьем квадранте (рис.). Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжениям холостого хода при разных освещенностях. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5.....0.55 В.
Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади выпрямляющего электрического перехода фотоэлемента. Поэтому сравнивают и оценивают фотоэлементы по плотностям тока короткого замыкания. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом составляет 20....25 мА/см2.
По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлемента соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при данной освещенности.
Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение на нагрузке 0.35.....0.4 В, плотность тока через фотоэлемент 15...20 мА/см2.
Световые характеристики фотоэлемента – это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания от светового потока или от освещенности фотоэлемента (рис.). Сублинейность световых характеристик связана с уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n -области и дырок в p -области.
Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Спектральные характеристики фотоэлементов аналогичны спектральным характеристикам фотодиодов, изготовленных на основе того же полупроводника. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов почти соответствует максимуму спектрального распределения 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:
η=Pmax/P.
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 еще до их разделения электрическим полем выпрямляющего 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 не превышает 12%. Однако его можно существенно повысить, используя в качестве исходного полупроводника теллурид кадмия, арсенид галлия и другие материалы с несколько большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния, а также используя фотоэлементы на основе гетеропереходов.
С другой стороны, при замыкании внешней цепи в такой системе, в ней возникнет ток. Такой режим работы фотодиода (без внешнего электрического поля) используется в качестве одного из режимов полупроводниковых фотоприемных устройств и получил название фотогальванического.
Рассчитаем величину вентильной фото-ЭДС. Запишем уравнение для тока, текущего через p-n переход:
(4)
Здесь плотности токов неосновных носителей заряда при освещении 
, как следует из рис.1 в), равны своим значениям в равновесии:
(5)
Плотности токов основных носителей заряда при освещении 
в результате понижения потенциального барьера на eu увеличиваются и становятся равными:
(6)
(7)
Объединяя выражения (5), (6) и (7), получаем:
(8)
или
(9)
откуда будем иметь:
(10)
Уравнение (10) является уравнением фотодиода для любого режима.
Для определения вентильной фото-ЭДС 
, которая соответствует напряжению на зажимах разомкнутой цепи, необходимо положить J=0. Тогда
(11)
Значение определяется числом избыточных носителей заряда, созданных светом и дошедших до p-n перехода. Если через I/hv обозначим число фотонов, падающих каждую секунду на единицу поверхности, через - квантовый выход, т. е. количество электронно-дырочных пар, возникающих на один фотон, а через - долю непрорекомбинировавших пар носителей заряда, прошедших к p-n переходу, то
(12)
Это выражение справедливо для случая, когда весь падающий на полупроводник свет поглощается. С учетом (12)выражение (11) примет вид:
(13)
При большом уровне освещения, когда 
, имеем:
(14)
При малом уровне возбуждения, когда 
, используя разложение в ряд, получаем
(15)
Т. е. вентильная фото-ЭДС при малом уровне возбуждения прямо пропорциональна интенсивности света. При большом же уровне возбуждения зависимость переходит в логарифмическую.
На рис.3 приведены типичные вольт-амперная и люкс-амперная характеристики германиевого фотодиода в вентильном (фотогальваническом) режиме. Отметим, что кривая на рис.3 а) фактически соответствует отрезку «аб» кривой 2 на рис.2.
Из формулы (14) следует, что при увеличении интенсивности света фото-ЭДС возрастает до тех пор, пока не сравняются плотности токов 
т.е. пока не исчезнет потенциальный барьер, препятствующий переходу носителей заряда. Высота барьера представляет собой максимально достижимое значение . Поэтому вентильная фото-ЭДС зависит от степени легирования, а следовательно, от положения уровня Ферми. Практически этот предел соответствует ширине запрещенной зоны.
Поиск по сайту: