курс физики том 4. Курс физики ТОМ 4. Т. В. Стоянова, на. Тупицкая, Ю. И. Кузьмин курс физики том 4 квантовая механика. Физика твёрдого тела. Атомная и ядерная физика учебник санкт петербург 2014 удк 539. 1 530. 145(075. 8)
 Скачать 2.93 Mb.
|
7.10 Cолнечные генераторы электроэнергии на основе полупроводниковых структур Фотоэлемент является источником электропитания, который генерирует электрическое напряжение за счет поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечной ячейкой. Принцип действия солнечной ячейки. Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом. Структура ячейки представлена на рис. 7.20. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света в p-n переходе ив областях полупроводника, прилегающих кр переходу, происходит поглощение квантов света и генерация электронно- дырочных пар – новых, неравновесных носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в р переходе, производит разделение зарядов электроны уходят в область, а дырки – в р- область. В результате накопления электронов в области и дырок в p- области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС. 1. Электрон переходит из валентной зоны на уровень ионизированного акцептора А, при этом в валентной зоне появляется дырка. Она суть основной носитель в области иона не может преодолеть потенциальный барьер. Поэтому дырка останется в области и не создает обратного тока. Электрон на акцепторном уровне не может перемещаться и также не дает вклада в фототок. Электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, возникают два носителя – дырка в валентной зоне и электрон в зоне проводимости. Дырка в валентной зоне области является основным носителем и не участвует в образовании обратного тока из-за потенциального барьера. Электрон в зоне проводимости области является неосновным носителем, для него не существует барьера, поэтому он двигается к p-n переходу и скатывается с него, создавая обратный ток. 3. Если электронно-дырочная пара возникла в p-n переходе, тополе объемного заряда растаскивает их в разные стороны – дырки в область, электроны в область. Таким образом, второй и третий процессы приводят к накоплению дырок в области и, аналогично, электронов в области, что создает дополнительную разность потенциалов. Накопление неравновесных носителей заряда в соответствующих областях не может продолжаться бесконечно, так как разделенные электроны и дырки продолжают притягиваться друг к другу обратный ток. Они создают электрическое поле, которое понижает высоту потенциального барьера между n- и областями на величину возникающей фото-ЭДС. Это понижение барьера уменьшает величину разделяющего поля в p-n переходе и аналогично прямому включению p-n перехода. ħ ω р Рис. 7.21 Энергетическая диаграмма p-n перехода, E F - уровень Ферми, E D – энергетический уровень донора, E A – энергетический уровень акцептора Полоска контакта область р-область Е Положительный Отрицательный Светочувствительный Рис. 7.20 Устройство кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом переход n (J 1 и J 2 ) появляется обратный ток неосновных носителей, и вся кривая смещается вниз. Точки пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжению холостого хода U хх ) при разных освещенностях (для кремниевого фотоэлемента фото-ЭДС имеет порядок 0,5–0,55 В. Точки пересечения вольт-амперной характеристики с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I кз . У крема I кз1 I кз2 U хх1 U хх2 P max б J=0 Рис Общий вида) и рабочая область (б) вольт-амперной характеристики фотоэлемента 2 По вольт-амперной характеристике при различных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, те. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлементов соответствует наибольшая площадь вписанного прямоугольника с вершиной на вольт- амперной характеристике при заданной освещенности (рис. 7.22 б. Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение нагрузки составляет 0,35-0,4 В, плотность тока 15-20 мА/см 2 Так как рабочей областью является область прямого смещения р перехода и обратного тока, то обычно вольт-амперная характеристика фотоэлемента переворачивают иона имеет вид, приведенный на рис. 7.23. 2. Световые характеристики фотоэлемента. Световые характеристики фотоэлемента- это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания фотоэлемента от освещенности фотоэлемента. а) При малой освещенности зависимость I кз J линейна, т.к. ток прямо пропорционален количеству родившихся электронно-дырочных пар g I кз , а количество появившихся электронно-дырочных пар, в свою очередь, прямо пропорционально количеству поглощенных квантов света J g , где α – показатель поглощения, J – интенсивность света, η – внутренний квантовый выход. Для кремниевых фотодиодов η 100%. Квантовый выход можно определить по экспериментальной зависимости I кз (J). Пропорциональность I кз g обусловлена тем, что р-область конструктивно изготовлена так, чтобы ее толщина была значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все неосновные носители, возникшие в р-области в результате световой генерации, доходят до р перехода и принимают участие в образовании фототока. Рис. 7.23 Вольт-амперная характеристика фотоэлемента при разных интенсивностях света J и линия оптимальной нагрузки I U Рис. 7.24 Ток короткого замыкания I s и напряжение холостого хода о как функция интенсивности света J I s , мА U 0 , В J, Вт/м 2 I s U 0 хх ) от освещенности такая же, как у тока короткого замыкания. При возрастании освещенности потенциальный барьер понижается так сильно, что прямая составляющая тока уравновешивает обратный фототок вне зависимости от степени освещенности. 3. Эффективность преобразования. Коэффициент полезного действия КПД) представляет собой отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлемента, относят отражение от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света (поглощение без образования пар носителей электрон-дырка), рекомбинацию неравновесных носителей ещё до их разделения электрическим полем p-n перехода, а также потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате этих процессов КПД кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечного света в электрическую энергию не превышает 12%. 4. Спектральная характеристика фотоэлемента. Спектральная характеристика фотоэлемента это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Для кремниевого фотоэлемента максимум спектральной характеристики почти соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света (рис. 7.25). Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широ- Рис. 7.25 Спектр Солнца (Т ≈ 5800 К, спектр света лампы (Т ≈ 2000 K) испек- тральная чувствительность кремниевой солнечной ячейки ко используются для создания солнечных батарей. Спектр лампы и Солнца отличаются тем, что у Солнца больше коротковолнового излучения (с большей энергией, ау лампы больше длинноволновая составляющая. Таким образом, лампа сильнее нагревает фотоэлемент, поэтому ее свет дает меньший ток короткого замыкания и, соответственно, меньший КПД. Если энергия кванта света меньше ширины запрещенной зоны, то фотоэффекта не будет вовсе, поэтому существует минимальная энергия (или максимальная длина волны, при которой эффект ещё наблюдается. Для кремния Si ширина запрещенной зоны ΔE = 1,1 эВ, что соответствует длине волны λ max = 1,3 мкм и частоте ν = 2,5·10 14 Гц. 5. Зависимость I к.з. и U хх от температуры. С повышением температуры фотоэлемента происходит а) понижение потенциального барьера (уменьшатся ширина запрещенной зоны) и б) увеличивается количество основных носителей, имеющих большую энергию, те. происходит перераспределение носителей по уровням. Понижение барьера приводит к понижению напряжения холостого хода (а также тока короткого замыкания) – уменьшается площадь под ВАХ – уменьшается КПД фотоэлемента (рис. 7.26). 7.11 Полупроводниковый диод. Светоизлучающий диод Диод во внешнем электрическом поле. Слово диод, образовано от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь. Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним р переходом и двумя выводами электродами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости. Принцип действия полупроводникового диода основывается на выпрямляющем свойстве p-n перехода. По назначению диоды бывают выпрямительные диоды - предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный импульсные диоды - имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы, ограничительные диоды - предназначенные для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения и другие. Вольт-амперная характеристика диода – это зависимость силы тока от приложенного к диоду напряжения (рис. 7.27). Если созданное внешним источником электрическое поле в p-n переходе противоположно диффузионному полю, то ток через переход возрастает в соответствии с прямой ветвью Рис. 7.26 Вольт-амперная характеристика солнечной батареи a) с охлаждающим вентилятором, b) без охлаждающего вентилятора, c) при экранировке стеклянным колпаком, мА 100 50 c в a 0 1 2 U, В вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики имеет вид экспоненты. Факторы, влияющие на прямой ток диода 1. При увеличении температуры а) уменьшается высота потенциального барьера и б) изменяется распределение носителей заряда по энергиям – электроны занимают все более высокие уровни в зоне проводимости. Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при неизменном приложенном напряжении. 2. У диода с большей шириной запрещенной зоны больше высота потенциального барьера, поэтому прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше притом же напряжении. 3. С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера, а значит, будет меньше прямой ток при неизменном напряжении. Если созданное внешним источником электрическое поле в переходе совпадает по направлению с диффузионным, то высота потенциального барьера для основных носителей увеличивается. В этом случае зависимость тока от напряжения соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики диода, а приложенное внешнее напряжение называется обратным. Величина потока неосновных носителей заряда не зависит от величины обратного напряжения U обр . Она определяется только скоростью их тепловой генерации в объеме полупроводника и скоростью их диффузии к p-n переходу (к области объемного заряда, пересекая который они и дают вклад в электрический ток, текущий через p-n переход. Однако достичь перехода могут не все неосновные носители, а только те, которые родились достаточно близко от него (на расстоянии диффузионной длины. Остальные неосновные носители не доходят до перехода и не дают вклада в ток. Обратный ток, начиная с малых значений обратного напряжения, не изменяется. Такой ток называется током насыщения. На рисунке 7.27 ток насыщения обозначен Факторы, влияющие на ток насыщения 1. С увеличением температуры ток насыщения увеличивается, т.к. экспоненциально увеличивается собственная концентрация носителей заряда. 2. В диодах на основе материалов с большей шириной запрещенной зоны плотность тока насыщения будет больше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается. 3. С увеличением концентрации примесей плотность тока насыщения уменьшается (меньше время жизни из-за усиления рекомбинации с основными носителями. Пробой диодов. При достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения происходит резкое увеличение об- Рис. 7.27 Вольт-амперная характеристика выпрямляющего диода 0 проб I 0 U ратного тока через диод. Это явление называется пробоем диода. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный и тепловой пробои. Лавинный пробой Под действием сильного электрического поля, при котором носители заряда приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника, возникают лавины носителей заряда. Пробивное напряжение определяется концентрацией примеси в слаболегированной области, т.к. она определяет ширину p-n перехода. С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис. 7.28). При возникновении лавинного пробоя возникают шумы. Вначале этот процесс неустойчив он возникает, срывается, возникает снова. С увеличением тока процесс ударной ионизации становится устойчивыми шумы исчезают. Это характерная особенность лавинного пробоя. Туннельный пробой Если ширина потенциального барьера δ становится достаточно малой, то возможно туннелирование электронов сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода, при этом пробивное напряжение обратно пропорционально концентрации примесей. При одной и той же ширине запрещенной зоны (для одного итого же материала) ширина потенциального барьера определяется напряженностью электрического поля, те. наклоном энергетических уровней и зон. Значение критической напряженности электрического поля составляет примерно 8·10 5 В/м для Si и 3·10 5 В/м для Ge. С повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает. Следовательно, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь потенциальный барьер, поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры. Так как при туннельном пробое необходима малая толщина p-n перехода, он наблюдается в диодах, изготовленных из полупроводников с большой концентрацией примесей. Тепловой пробой Тепловой пробой в диодах происходит с образованием так называемого шнура или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части p-n перехода. Образование шнура обычно вызвано дефектами в p-n переходе. Если плотность обратного тока в каком-нибудь месте p-n перехода оказалась больше плотности тока в остальной части перехода, то температура этого места будет еще выше из-за выделяющегося тепла Джоуля-Ленца. Локальное увеличение тем- Рис. 7.28 Вольт-амперная характеристика при лавинном пробое U обр проб I обр пературы приводит к дальнейшему росту плотности тока, что вызывает локальное повышение температуры и т.д. Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях. Светоизлучающий диод (LED – Light-emitting diode) – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию, в энергию оптического излучения. Излучение вызвано рекомбинацией (возвращением электронов из зоны проводимости в валентную зону) носителей заряда при прохождении тока в прямом направлении через выпрямляющий электрический переход. Область структуры светодиода, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок называется активной. В основе светоизлучающего диода лежит многослойная гетероструктура. Гетероструктура представляет собой последовательность полупроводниковых слоев отличающихся химическим составом и шириной запрещенной зоны. Гетеропереходом называют переходный слой с существующим в нём диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками. Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решёток контактирующих полупроводников. При образовании гетероперехода, из-за различия работ выхода электронов из разных полупроводников, происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми. В результате установления термодинамического равновесия, остальные энергетические уровни изгибаются – возникают диффузионное электрическое поле икон- тактная разность потенциалов. Энергетические зоны различных полупроводников отличаются по ширине, поэтому на границе раздела двух полупроводников получается разрыв дна зоны проводимости и валентной зоны, что приводит к наличию разной высоты потенциального барьера для электронов и дырок. В связи с этим, прямой ток через гетеропереход связан в основном сдвижением носителей заряда только одного знака. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра электромагнитных волн. Длина волны излучения светодиода зависит от химического состава использованного в активной области полупроводника. Красные и желтые светодиоды изготавливаются из твердых растворов соединений элементов AlGaAs и AlGaInP, а зеленые и синие из более широкозонного материала InGaN. Для того чтобы кванты энергии (фотоны, Рис. 7.29 Зависимость длины волны желтого светодиода от температуры активной области Длина волны, нм 594 592 590 588 586 -40 10 60 t, 0 C освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть достаточно большой (Е > 1,7 эВ, при меньшей ширине запрещенной зоны исходного полупроводника кванты энергии, освобождающиеся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения. Энергия фотона, образовавшегося при рекомбинации, определяется h Е Так как частота связана с длиной волны сто энергию можно выразить с h Е . (7.61) Максимум в спектре излучения светодиода max соответствует наиболее вероятному переходу – с нижнего энергетического уровня свободной зоны на верхний уровень валентной зоны. Тогда с, (7.62) где Е - ширина запрещенной зоны полупроводника. Активная область ограничена слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, которые обеспечивают локализацию носителей вуз- козонной области, что приводит к увеличению вероятности рекомбинации носителей заряда. Отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называется внутренним квантовым выходом Если бы рекомбинация неравновесных электронов и дырок, в активной области происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации не заканчивается выделением энергии в виде фотонов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями называют безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными переходами зависит отряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, наличия примесей, которые могут увеличить или уменьшить вероятность излучательных пере- ходов. Увеличение длины волны с повышением температуры активной области светодиода вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника, при этом, из-за увеличения влияния колебаний кристаллической решетки уменьшается внутренний квантовый выход. Яркость светодиода с увеличением температуры падает рис. Падение яркости с повышением температуры неодинаково у светодиодов разных цветов У материалов с меньшей шириной запрещенной зоны температурная зависимость длины волны и яркости сильнее. Она больше у красных и желтых, и меньше у зеленых, синих и белых Поэтому для надежной и стабильной работы светодиодов важен хороший теплоотвод Даже при высоком внутреннем квантовом выходе (в GaAs и внутренний квантовый выход излучательной рекомбинации равен 100%) внешний квантовый выход значительно меньше. Образовавшиеся фотоны могут поглотиться полупроводником до выхода в окружающее пространство. Существенными являются потери при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом, превышающим критический угол полного внутреннего отражения 1 в, (7.63) где 2 n - абсолютный показатель преломления среды, окружающей полупроводник- абсолютный показатель преломления полупроводника. Для многих полупроводников 0 в, поэтому если полупроводник имеет плоскую форму, то только незначительная часть фотонов (около 1,5%) покинет полупроводник. Наиболее простым решением является формирование на поверхности кристалла сферического покрытия из пластического материала с высоким показателем преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения. |