ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Под действием света атомы полупроводника воз­буждаются и в кристалле как в п-, так и в р-областях возникают дополнительные (избыточные) пары элек­трон— дырка, как это показано сверху на рис. 4,6—г. Образовавшиеся электроны и дырки, участвуя в тепло­вом движении, перемещаются в различных направле­ниях, в том числе и по направлению к р-п-іпереходу.

Благодаря наличию потенциального барьера элек­тронно-дырочный переход будет разделять главным об­разом диффундирующие к нему неосновные избыточные носители тока. В результате такого разделения в п-об­ласти кристалла будут накапливаться избыточные элек­троны, а в р-области — избыточные дырки. Скопление избыточных (разделенных переходом) электронов, в п — области и дырок в p-области фотоіпреобразователя бу­дет приводить к компенсации объемного заряда, сосре­доточенного у р-п-перехода, т. е. к созданию электриче­ского поля, направленного в сторону, противоположную тому полю, которое уже имелось там раньше. Образо­ванное свето’м электрическое поле зарядит левый (осве­щаемый) слой p-типа положительно, а правый слой «-типа — отрицательно. Между п — и p-областями пла­стинки возникнет фото-э. д. с. Концентрация образован­ных светом избыточные носителей тока у р-п-перехода, а следовательно, и величина фото-э. д. с. зависят от ин­тенсивности светового потока и великиньи нагрузочного

При освещении

Рис. 4. Схемы, поясняющие работу фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии.

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Заполненная зона

1*=1* 1 1**1*

1P jne*M j п цпемн

<0

Расстояние х.

-обтспк — ч

"1

р-п~

‘ре&д

°°о«°

о о I

1

1

£ темноте

п-область

а— в темноте токн основных н неосновных носителей через р-л*переход компенсируют друг друга, суммарный ток равен нулю; б— в режиме короткого ввмыкания все возникшие под действием света избыточные неосновные носители тока, котопые за время своего существования успели дойти до /7-п-перехода, проходят через него й. поскольку внешняя цепь замкнута, возмож­на циркуляция тока; б —в режиме, когда внешняя цепь замкнута на сопротивление нагрузки #н, все„.возннкшие под действием света избыточные неосновные носители тока, которые за время своего существования успелн дойти до />-я-перехода, частично израсходованы для снижения потенциального барьера на переходе; вторая их часть участвует в образовании тока через переход н внешнюю нагрузку; <? — в режиме холостого хода все возникшие под действием света избыточные неосновные носители тока, которые за время своего — существования успели дойти до />-л-перехода, затрачены на снижение потенциального барь­ера перехода.

сопротивления RH, включенного во внешнюю цепь фо­топреобразователя.

Если цепь фотопреобразователя разомкнута (/?н —оо), как это показано сверху на рис. 4,г, то все избыточные, разделенные переходом носители тока скапливаются у /;-п-перехода и на максимально возможную величину компенсируют потенциальный барьер на переходе создавая максимальное значение фото-э. д. с., равное напряжению холостого хода Ux х.

Чтобы ‘не усложнять схему, сверху на рис. 4 условно изображены только те носители зарядов, которые со­здают потенциальный барьер, т. е. скопление ‘равновес­ных носителей тока ‘.

Если фотопреобразователь замкнут накоротко (Rn —0), как показано сверху на рис. 4,6, то избыточные, разде­ленные переходом носители тока будут иметь возмож­ность циркулировать через эту короткозамкнутую цепь, создавая максимально возможное значение тока—ток короткого замыкания /к з. При этом у р-дг-перехода ника­кого скопления избыточных зарядов не возникнет. Потен­циальный барьер будет иметь ту же высоту, что и в тем­ноте, и фото-э. д. с. преобразоваталя будет равна нулю.

Если фотопреобразователь замкнут на какое-то конеч­ное сопротивление RH, как показано сверху на рис. 4,в,

то часть разделенных переходом избыточных носителей заряда затратит свою энергию на снижение потенциаль­ного барьера у /;-п-перехода, т. е. на создание напряже­ния U, а оставшаяся часть избыточных носителей

И

создаст ток /н через нагрузку.

Явления, происходящие на р-п-переходе в темноте и при освещении, удобно представлять посредством энер­гетических схем, показанных внизу на рис. 4. Здесь по оси абсцисс отложено расстояние х в глубь фотопреоб­разователя (начало координат соответствует его поверх­ности), а :по оси ординат (в некотором масштабе)—энер­гия, которой обладают носители зарядов (дырки и элек­троны). При этом следует отметить, что росту энергии электронов соответствует направление снизу вверх, а для дырок, наоборот, — сверху вниз, т. е. чем ниже изобра­жена на схеме дырка и ‘чем выше изображен электрон, тем ‘большей энергией они обладают.

На такой энергетической схеме (внизу на рис. 4,а) полупроводниковый материал изображается в виде трех зон: заполненной зоны, или зоны валентных свя­зей, запрещенной зоны шириной Е и зоньи проводимо­сти. Электроны могут перемещаться в полупроводнике (и тем самым создавать электронный ток) только тогда, когда они находятся в зоне проводимости. Находиться в зоне проводимости электроны могут только в возбуж­денном состоянии, оторвавшись от атома донорной при­меси или от атома собственно полупроводника. Дырки могут перемещаться только в заполненной зоне. Созда­ние свободных дырок обусловлено переходом электронов от атомов собственно полупроводника к атомам акцеп­торной примеси или в зону проводимости.

Чтобы не усложнять картины, на приведенных энер­гетических схемах изображены только свободные дырки и электроны. Уровни расположения доноров и акцепто­ров не показаны.

В месте соединения р — и и-областай полупроводника благодаря возникновению потенциального барьера гра­ницы зон претерпевают скачок.

Рассмотрим вопросы, о которых говорилось в данной главе, несколько подробнее, с использованием энерге­тических схем.

В реальном полупроводниковом материале, проводи­мость которого определяется концентрацией донорной или акцепторной примеси, внедренной в его кристалли­ческую решетку, наряду с основными носителями тока всегда присутствует небольшое количество неосновные носителей тока ‘. Концентрация — последних определяется

1 Неосновные носители тока — свободные носители заряда, знак которых противоположен типу проводимости полупроводника (этек — траны — для области p-типа и дырки — для области п-типа).

18 *

свойствами полупроводникового материала и темпера­турой окружающей среды. Чем больше в ‘полупровод­нике концентрация основные носителей тока, тем мень­ше концентрация неосновных носителей тока, и наоборот.

В примесном полупроводнике любого тина проводи­мости между концентрациями свободных электронов «эл и дырок п, т. е. между основными и неосновными носителями, существует связь, выражаемая формулой

где по — концентрация электронов или дырок в соб­ственном полупроводнике, т. е. в полупроводнике, ли­шенном всяких,’примесей.

Если для движения основных носителей через р-п — переход потенциальный барьер на ‘последнем является препятствием (рис. 4,(1, внизу), то для движения неос­новных носителей н обратном направлении он никакого препятствия не представляет (на рисунке движение — неос­новных носителей заряда черезр-и-переход не показано).

Поскольку число неосновных носителей чрезвычайно мало но сравнению с числом основных, этот обратный поток неосновные носителей через переход имеет очень малую величину.

Однако для сохранения условия электрической ней­тральности поток неосновных носителей через переход в обратном направлении должен быть скомпенсирован точно таким же потоком основных носителей того же знака заряда в прямом направлении. Поэтому в темноте высота потенциального барьера UK на р «-переходе автоматически устанавливается такой, при которой по­ток неосновных носителей через переход уравновеши­вается потоком основных носителей, имеющих доста­точно большую энергию, чтобы преодолеть барьер.

На рис. 4,а внизу схематически изображена картина такого равновесного состояния в темноте. В равновесии уровень Ферми [3] в р — и «-областях полупроводника нахо­дится на одной высоте. Для хорошего качества фотопре­образователя необходимо, чтобы величина LfK была по возможности выше.

Для данного ‘полупроводникового материала, харак­теризуемого определенной шириной запрещенной зоны, при прочих равных условиях высота потенциального барьера будет тем выше, чем меньше величина обрат­ного тока неосновных носителей, или, как его еще назьи — вают, обратного тока насыщения. Это и понятно, так как для уравновешивания меньшей величины обратного тока насыщения потребуется и меньшее значение потока основных носителей через переход, а это обстоятельство обеспечивает более высокий потенциальный барьер на p-tt-пєрєходє.

Из ’Сказанного легко видеть, что для обеспечения вы­сокого значения UK необходимо применять для изго­товления фотопреобразователей такой полупроводнико­вый материал, который имел бы малое число неоснов­ных носителей тока в темноте.

Последнее условие выполняется, во-первых, если ма­териал имеет большое число основньих носителей тока как в р-, так и в «-областях, т. е. если материал в силь­ной степени насыщен донорами или акцепторами, и, во — вторых, если. полупроводник имеет более широкую за­прещенную зону.

Именно поэтому кремний имеет преимущество перед германием. У германия благодаря малой ширине запре­щенной зоны число неосновных носителей тока в темно­те значительно больше, чем у кремния. Из тех же сооб­ражений материал, обладающий более широкой запре­щенной зоной, чем у кремния, например кадмий-теллур (Е =1,5 эв) обеспечит еще более высокий потенциаль­ный барьер на р-п-переходе. Однако при применении материалов с относительно широкой запрещенной зоной, например с Е =2—2,5 эв, качество фотопіреобразовате — лей ухудшается (см. рис. 3), несмотря на рост UK. Ухудшение качества обусловлено тем, что примерно по — ловина^из падающих на поверхность полупроводника квантов имеет энергию меньше 2—2,5 эв и не может со­здавать пары электрон—дырка

Рассмотрим более подробно одну из теорий возник­новения фото-э. д. с. на р-п-‘лереходе

Как уже было сказано, в темноте в равновесном со­стоянии потоки основных и неосновных носителей ком­пенсируют друг друга. Поэтому ‘приняв. направление слева направо за положительное, можно написать:

(2)

с-‘:=«• I

или

І+Р+ГР~ГП-П = о,

где /“ — абсошотное значение тока этектронов из /г-об­ласти в /7-область (основные носители);

1~ — абсолютное значение тока этектронов из /7-об­ласти в л-область (неосновные носители);

1+ — абсошотное значение тока дырок из /7-области в я-область (основные носители);

Ґ — абсолютное значение тока дырок из п-области в /7-обтасть (неосновные носители).

На рис. 4,а (внизу) величины! этих токов и их на­правления обозначены стрелками, причем токи ‘электро­нов указаны в зоне проводимости, а токи дырок — в за­полненной зоне. Длина стрелок пропорциональна вели­чине токов.

Для равновесных значений токов в темноте введем обозначения:

Г = Г = Г ; 1

(3)

п р темн’

ґ=ґ=г .

п р темн )

Поскольку все ©ти токи в темноте обусловливаются равновесными, а не избыточными носителями, то ток во внешней цепи фотопреобразователя протекать не будет.

Предположим теперь, что /7-область освещена. Под действием энергии поглощенных фотонов в ней начнут возникать пары (электрон—дырка) избыточных неравно­весных носителей тока. Увеличением под действием

света и без того большой концентрации дырок в р-об­ласти можно пренебречь. Поэтому действие освещения практически сведется лишь к увеличению концентрации неосновных носителей, т. е. электронов, в результате чего возрастет электронный ток, идущий из /7-области в n-область. Приращение этого электронного тока, вы­званное освещением, обозначим через /св (рис. 4,6 и в). Другими словами, 1св есть ток, генерируемый преобра­зователем при его освещении, равный эффективному по­току электронов и дырок, созданных светом и неуспев­ших рекомбинировать до подхода к /7-л-переходу и, сле­довательно, разделенных переходом[4].

Возннкновение тока 7св нарушает равновесие. Избы­точный электронный ток неосновных носителей, идущий из /7-области, приводит к частичной компенсации поло­жительного объемного заряда, сосредоточенного у р-п- перехода со стороны «-области, и, таким образом, при­водит к снижению потенциального барьера на ^-/г-пере­ходе (см. рис. 4,е).

Уровни Ферми, которые в обеих областях полупро­водника изображены так, чтобы энергетические расстоя­ния от них до границ зон по-прежнему однозначно опре­деляли тепловую энергию носителей тока, уже не сов­падают в обеих зонах. Разрыв между ними по энергети­ческой шкале равен произведению qU, где q —заряд электрона, a U — разность потенциалов, возникшая в ре­зультате освещения. На рис. 4,е U =UH, где UH — па­дение напряжения на сопротивлении нагрузки RK.

Для определения величины фото-э. д. с. или Uyy (напряженне холостого хода) рассмотрим случай разо­мкнутой цепи (см. рис. 4,г).

Снижение потенциального барьера при освещении при­водит к возрастанию потока основных носителей (элек­тронов из «-зоны В /7-зону и дырок ИЗ /7-ЗОНЫ в /г-зону). Число основных носителей заряда, которые могут прео­долеть сниженный барьер, тем больше, чем ниже высота этого барьера.

По мере снижения высоты потенциального барьера на переходе (когда U возрастает до величины {/ ) заря —

икающее действие фототока, состоящего из разделенных переходом неосновных носителей, все в большей мере компенсируется соответствующим возрастанием тепловых потоков основных носите чей. В стационарном состоянии потоки зарядов через /;-л-переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга и, так как внешняя цепь разомкнута, общий ток равен нулю.

Для определения соответствующей этому состоянию фото-э. д. с. можно, учитывая направления токов, на­писать:

/ +/+ 4-Г — /+ — Г =0[5]. (4)

СВ I ро I ро по по ‘ ‘

Поскольку приращение избыточных неосновных носи­телей, вызванное действием освещения, учтено током /св, токи равновесных неосновных носителей при осве­щении остаются равными своим значениям в темноте

/+ =1+ = 1+ )

(5)

по п темн * I

^ ро ^р ^темн ’ |

С другой стороны, как уже говорилось, токи основ­ных носителей при освещении в результате сннжения потенциального барьера на /7-п-переходе увеличиваются и становятся равными:

^’х. х [6]

/~ =Ге кТ =Г е кТ

(Є)

ПО П TQMH

х. х

Р° р темн

где е — основание натуральных логарифмов (е^2,72); q—заряд электрона (1,6-10~19 к);

Т — абсолютная температура; для 0°С Т = 273° К; k — постоянная Больцмана (1,38-10“10 spzjzpad — = 0,86-1СГ4 эв/град).

С учетом соотношений (5) и (6) уравнение (4) приоб­ретает вид:

. ЧУх. х.

/ — (/“ —/+ )е kT — 1) = 0,

св темн течи7 /

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

(?)

где /нт — алгебраическая сумма дырочного и электрон — ного токов неосновных носителей через /мг-переход в темноте. Под /н т можно также понимать ток, который потечет через /?-л-переход, если к фотопреобразователю подключить электрическую батарею в запорном направ­лении, поэтому ток /нт называют еще обратным током насыщения. В зависимости от того, какая из составляю­щих больше, ток /нт может быть дырочным или элек­тронным.

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Прологарифмировав уравнение (7), можно определить фото-э. д. с. или напряжение холостого хода:

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

В частности, у фотоэлектрического преобразователя, изготовленного из кремния л-типа, /г-область, образован­ная термодиффузией акцепторной примеси[7], будет харак­теризоваться большей концентрацией дырок, чем кон­центрация электронов в n-области. Поэтому обратный электронный ток /~м из /7-области в n-область будет значительно меньше, чем обратный дырочный ток /*мн из л-области в /7-область, и можно считать, что

Из уравнения (8) следует, что при постоянном осве­щении Uxx тем больше, чем меньше ток /нт.

На рис. 4,г внизу схематически изображен режим холостого хода. При какой-то определенной интенсив­ности светового потока потенциальный барьер на пере­ходе снижен на максимальную величину, а между р- и л-областями существует разность потенциалов Ux, кото­рую можно измерить, подключив к контактам освещен­ного фотопреобразователя высокоомный вольтметр. Так как внешняя цепь разомкнута, ток в ней равен нулю.

Поток через /7-н-переход неосновных носителей тока, возникших под действием света, скомпенсирован потоком основных носителей, как это следует из формулы (7).

Если фотоэлектрический преобразователь замкнут на внешнее сопротивление RH (см. рис. 4,6, внизу), то в правую часть уравнения (7) следует вписать ток /н, те­кущий через это сопротивление. При этом напряжение на фотопреобразователе снизится и станет равным UH Поэтому

ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

н.

ekT- ) = /„, (9)

или

где через /у обозначен ток утечки, состоящий из пото­ка основных носителей через /7-я-переход.

Напряжение на нагрузке теперь будет

kT

Коэффициент — д ля температуры, б низкой к ком­натной[8], т. е. 20—30°С, равен 0,025—0,026 в, и, прене­брегая единицей в скобках под знаком логарифма (так как /нт очень мало), можно написать следующее при­ближенное выражение:

Un ~ 0,026 In | ‘c-j—Г" j = 0,059 Ig ^ ‘св~ /н у (12)

Аналогично для тех же условий можно написать:

QQf /

“-1)- <13>

Выражения (9) и (II) являются общими уравнениями нагрузочной характеристики фотопреобразователя.

Наконец, на рис. 4,6 схематически представлен режим короткого замыкания. Никакой разности потенциалов между п — и ^-областями при этом не возникает. Все воз­никшие под действием света избыточные неосновные носители тока, которые дошли до /7-п-перехода, разде­ляются им, превращаясь в избыточные основные носи­тели. Равновесие избыточных носителей достигается за счет протекания во внешней цепи тока короткого замы­кания /к з.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *