15.2 Фотоэлементы. Принцип действия, вах

П олупроводниковый фотоэлемент – полупроводниковый прибор с p-n переходом, предназначенный для прямого преобразования световой энергии в электрическую (рис.15.5). Фотоэлементы представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие под действием излучения собственную ЭДС. Такой режим работы называется вентильным или фотовольтаическим. Принцип работы фотоэлемента состоит в том, что электрическое поле перехода разделяет неравновесные носители разного знака.

В режиме холостого хода внешняя цепь разорвана (R_н=), поле определяется только контактной разностью потенциалов. Появляющийся обратный дырочный ход через переход из – за разделения носителей при отсутствии внешней цепи будет приводить к тому, что p – область заряжается положительно относительно n – области. Это нарушение равновесия означает появления разности потенциалов, которая связана с наличием неравновесных носителей, вызванных действием света. Эта разность потенциалов  противоположна по знаку контактной разности потенциалов, т.е. понижает потенциальный барьер в переходе. Снижение барьера не влияет на движение не основных носителей, но вызывает увеличение потока основных носителей областей: электронов из n – области в p – область и дырок из p – области в n – область. Таким образом, в переходе появляется встречный ток дырок. Понижение барьера будет происходить до тех пор, пока результирующий дырочный ток не достигнет нулевого значения, т.е. пока не уравняется встречный дырочный составляющий ток.

С овершенно также происходит выравнивание противоположных по направлению электронных токов. Установившиеся в результате этого процесса превращения (убыль) высоты потенциального барьера эквивалентно прямому напряжению U и называется напряжением холостого хода U_xx или ЭДС фотоэлемента. Это значение U_xx можно измерить на зажимах фотоэлемента при R_н. Если освещенный фотоэлемент замкнут на резистор R_н, то в цепи установится ток I, величина которого определяется как фотоэлементом, так и сопротивлением резистора. Такие вольтамперные характеристики соответствуют IV квадранту на рисунке. Точка, лежащая при заданном потоке Ф на оси напряжений (I=0), дает значение фото ЭДС (U_xx). При R_н = 0 точка, лежащая на оси токов, соответствует току короткого замыкания I_кз. Промежуточные точки при заданном Ф находятся путем измерения тока в цепи и напряжения на зажимах фотоэлемента при заданном R_н. Изменяя R_н от 0 до , получаем нагрузочную ВАХ (рис. 15.6).

Фотоэлемент, с помощью которого преобразуют солнечную энергию в электрическую, называют солнечным преобразователем. Используют также термины "солнечные батареи" и "солнечные элементы". КПД солнечных батарей невысок (12%). И это связано с отражением части излучения от поверхности полупроводника, с некоторым поглощением света, с рекомбинацией носителей на поверхности и в объеме полупроводника, потерями мощности при прохождении тока через сопротивление базы фотоэлемента. При хорошо отработанной технологии солнечные кремневые батареи могут давать КПД до 20% и развивать мощность до нескольких киловатт.

Солнечные батареи – основные источники питания на космических кораблях, автоматических метеостанциях. Практическое применение солнечных батарей непрерывно возрастает.

15.3 P-i-n ФОТОДИОДЫ. СТРУКТУРА, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт – дисков и других устройствах требуются фотоприборы с высоким быстродействием. К фотоприборам, обладающим малой инертностью, относятся p-i-n – фотодиоды и лавинные фотодиоды. В p-i-n – фотодиоде на подложке n⁺ сформирован слаболегированный i – слой и слой p⁺ толщиной до 0,3 мкм (рис. 15.7). При подаче обратного напряжения обедненным оказывается весь i – слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте в зависимости от коэффициента поглощения и вызывает появление фотовозбужденных носителей. Электрическое поле обедненного слоя ускоряет носители до скорости насыщения. За пределами обедненного слоя носители двигаются диффузионно с относительно низкой скоростью. За счет этого быстродействие несколько снижается, поэтому необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое, что достигается особенностями структуры p-i-n – диода (слой p⁺ делают очень тонким, а слой i – больше длины поглощения излучения).