Введение Оптоэлектронные приборы – это устройства, чувствительные к электромагнитному излучению в видимой инфракрасной и ультрафиолетовой области, преобразующие. - презентация

1

2

3 Введение Оптоэлектронные приборы – это устройства, чувствительные к электромагнитному излучению в видимой инфракрасной и ультрафиолетовой области, преобразующие оптическое излучение в электрический сигнал и наоборот, электрический сигнал в оптическое излучение. К первому виду оптоэлектронных приборов относятся фотоприёмники и солнечные батареи, ко второму виду - светодиоды и полупроводниковые лазеры. Для преобразования оптического излучения в электрический сигнал используется межзонное поглощение квантов света в полупроводниках, как наиболее эффективный канал преобразования энергии. При поглощении света генерируется неравновесные – p- и n- носители. В фотоприемных устройствах как правило используется принцип регистрации не основных носителей заряда. Наиболее распространённые реализуются на основе диодных структур.

4 Фотоэлементы Фотоэлементами называют фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и другие светочувствительные приборы, используемые в электронной автоматике в качестве датчиков устройств, реагирующих, например, на изменение интенсивности освещения.

5 Другие типы фотодетекторов На барьере Шоттки Для обеспечения эффективного приема оптического излучения используют тонкие слои металла. В области пространственного заряда диода с барьером Шоттки на основе полупроводника n- типа при обратном смещении генерируемые электронно - дырочные пары разделяются электрическим полем, и дырки выбрасываются в металлический контакт, а электроны - в базу. Так как ОПЗ имеет малую ширину и примыкает к светоприёмной поверхности, то такие фотодиоды обладают высокой квантовой эффективностью и высоким коэффициентом поглощения в области малых длин волн. Оптическое излучение полностью поглощается в ОПЗ фотодиода. Их можно использовать для детектирования оптического излучения при высоких частотах модуляции.

6 На гетеропереходах Полупроводник с более широкой запрещенной зоной используется как окно, которое пропускает оптическое излучение с энергией, меньшей чем ширина запрещенной зоны без заметного поглощения. И тогда эффективность фотодиода будет зависеть только от того, на каком расстоянии расположен p-n переход от светоприёмной поверхности. Важно использовать гетеропереход с малой величиной обратного темнового тока, которую можно обеспечить, сводя к минимуму плотность граничных состояний, ответственных за появление, например, части тока, обусловленной фотогенерацией электронно - дырочных пар в ОПЗ p-n перехода. Это обеспечивается за счет согласования постоянных решеток обоих полупроводников.

7 Фоторезисторы это дискретные светочувствительные резисторы, действие которых основано на изменении проводимости полупроводникового материала под действием светового излучения. Он представляет собой пленку из специального полупроводникового материала ( сернистый свинец, селенид кремния, сернистый кадмий ), обладающего очень высокой чувствительностью к лучам света, которую наносят на стекло или керамику. Будучи включенным в цепь источника постоянного или переменного напряжения, фоторезистор изменяет свое сопротивление и ток в цепи в зависимости от интенсивности света.

8 Основные параметры Up рабочее напряжение это постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечены номинальные значения его параметров при длительной работе ; Umax максимально допустимое напряжение это максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором обеспечена заданная надеж ­ ность при длительной работе ; I св световой ток ток, протекающий через фоторезистор при рабочем напряжении и воздействии потока излуче ­ ния заданной интенсивности и спектрального распределения ; I т темновой ток ток, протекающий через фоторезистор при рабочем напряжении в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности ; R т темновое сопротивление сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности ; t сп постоянная времени по спаду тока время, в течение которого световой ток уменьшается до значения 37 % от максимума при затемнении фоторезистора ; t н постоянная времени по нарастанию тока время, течение которого световой ток увеличивается до значения 63% от максимума при прямоугольной форме единичного импульса света ; Основные характеристики фоторезисторов спектральная, люкс - амперная, вольтамперная.

9 Спектральная характеристика Спектральная характеристика отображает чувствительность фоторезистора при действии на него излучения определенной длины волны. Чувствительность зависит от самой области спектра материала светочувствительного элемента. Сернисто - кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто - кадмиевые в красной и ближней инфракрасной областях, сернисто - свинцовые инфракрасной области спектра.

10 Вольтамперная характеристика Вольтамперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока, протекающего через резистор, от приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика фоторезисторов линейна в широком интервале напряжения. Линейность нарушается только при малых значениях напряжения.

11 Люкс - амперная характеристика Люкс - амперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока, протекающего через резистор, от освещенности. Полупроводниковые фоторезисторы имеют обычно нелинейные люкс - амперные характеристики

12 Фототранзисторы действует также как и остальные фотодетекторы, однако транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в быстродействии. Фототранзистор особенно эффективен, так как обеспечивает высокий коэффициент преобразования по току (50% и более ). В режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока. Кроме того, дырки фотогенерируемые в базе, приходящие в базу из коллектора, уменьшают разность потенциалов между собой и эмиттером, что приводит к инжекции электронов через базу в коллектор.

13 Интегральная реализация Биполярный транзистор может быть интегрально совмещен с другими приборами. Например, используя дополнительный транзистор, можно сформировать составной фототранзистор с существенно большим коэффициентом усиления. Быстродействие рассмотренных структур ограничивается большой емкостью перехода база - коллектор и уменьшается при увеличении усиления за счет эффекта обратной связи.

14 Фотодиоды Это полупроводниковые диоды, используемые для регистрации оптических сигналов В фотодиодах на основе p -n – переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей.

15 Физические основы работы фотодиода При контакте двух полупроводников с разными типами проводимости вследствие разности термодинамических работ выхода Ф n- тип < Ф p- тип произойдет перераспределение свободных зарядов и возникнет область пространственного заряда Q1 и Q2. При этом положительный заряд Q1 образован нескомпенсированными донорами, а отрицательный заряд Q2 образован нескомпенсированными акцепторами. Объемный заряд создает электрическое поле, максимальное на границе Е max и линейно спадающее вглубь области пространственного заряда.. В условиях термодинамического равновесия в p-n- переходе существуют четыре компоненты тока : две - дрейфовые, две – диффузионные, образованные неосновными и основными носителями заряда. При приложении напряжения VG равновесие нарушается и ВАХ диода будет иметь вид :

16 ВАХ диода на основе p-n – перехода.

17 Фотодиод при освещении При попадании кванта света, с энергией h в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При этом регистрируется изменение концентрацией носителей. Изменение концентрации неосновных носителей дает изменение фототока, не зависящего от полярности и величины приложенного напряжения, направлен от n – к p – области полупроводника.

18 Ограничение по применению Две характеристики p-n- фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно - оптических приложений. Во - первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во - вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне - и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать фотодиод на основе p-n – перехода только в килогерцовом диапазоне.

19 Часть 2: Солнечные батареи

20 Введение Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, и ограниченностью традиционных земных ресурсов. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии г – Чапен, Фуллер и Пирсон – создают первый солнечный элемент на основе диффузионного кремниевого р-п - перехода. Впоследствии Рейнольдс и др. разработали солнечный элемент на сульфиде кадмия. Затем солнечные элементы были созданы на многих других полупроводниках с использованием различных конструкций прибора и применением монокристаллических и поликристаллических материалов и аморфных тонкопленочных структур.

21 Солнечная батарея - полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием. Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч.

22 Электрический ток в солнечной батарее возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта - перераспределения электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящего при поглощении электромагнитного излучения). В солнечных элементах используется вентильный (барьерный) фотоэффект (заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света).

23 Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными особенностями, количеством элементов в батарее. Распространённые материалы: Si Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями: почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ; высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах; повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон; относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs; характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

24 Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ). Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %.

25 Основные принципы работы солнечных батарей Солнечный элемент на p-n структурах. Элемент солнечной батареи представляет собой пластинку кремния n-типа, окруженную слоем кремния р-типа толщиной около одного микрона, с контактами для присоединения к внешней цепи. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон - дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

26 Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

27 Генерирование электрического тока солнечным элементом а фотоны А и В образовали электронно-дырочные пары аа' и bb'. Электрон c и дырка с', образованные предыдущим фотоном, движутся к контактам солнечного элемента. Электроны d, e, f и g перемещаются по внешней цепи, образуя электрический ток; б дырка, образованная фотоном А, прошла через переход и направляется к положительному контакту. Электрон, образованный фотоном В, также прошел через переход и движется к отрицательному контакту Электрон с перешел из полупроводника в проводник. Электрон g перешел в полупроводник и рекомбинировал с дыркой с'.

28 Способы повышения эффективности преобразования Для повышения КПД и выходной мощности можно использовать многокаскадные солнечные элементы либо устройства спектрального разложения света. В последнем случае солнечное излучение разлагается на много узких спектральных полос и излучение из каждой полосы преобразуется с помощью элемента, ширина запрещенной зоны которого выбрана наиболее оптимальной по отношению к спектральному составу данной полосы. Дихроичные зеркала разлагают падающий свет, отражая фотоны с высокой энергией в элемент 1 и пропуская фотоны с низкой энергией к элементу 2 и далее к элементу 3. При 1000-кратном концентрировании солнечного излучения значение к. п. д. при деление света на два спектральных диапазона ~60 %. а при делении на 10 полос он составляет ~85 %.

29 ВАХ солнечного элемента Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнени- ем вольт - амперной характеристики (ВАХ): U = (kT/q)ln((I ф -I)Is/+1) где Is– ток насыщения, а I ф – фототок. Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iф. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а.

30 Две основные компоненты спектрального отклика (числа коллектируемых электронов, приходящихся на один падающий фотон с данной длиной волны) и фототока связаны с генерацией носителей в обедненном слое и в электронейтральной базовой области. Коллектирование носителей в объединённом слое происходит так же, как и в p-n-переходе. Солнечные элементы на барьерах Шоттки

31 Сильное поле в обеднённом слое выносит из него генерируемые светом носители еще до того, как они успевают рекомбинировать, вследствие чего фототок оказывается равным (*) где Т(l ) - коэффициент пропускания металлом монохроматического света с длиной волны l. Фототок, создаваемый генерацией носителей в базовой области, описывается выражением (**) Полный фототок равен сумме выражений (*) и (**). Видно, что для увеличения фототока следует повышать коэффициент пропускания Т и диффузионную длину Ln.

32 Спасибо за внимание