Основные характеристики фотоприемника

Фотоприемники
и
Солнечные
батареи
Фотоприемники
Фотоприемники (фотодетоктор, приемник оптического
излучения) – полупроводниковые приборы, регистрирующие
оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на
входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.
Фотоприемники должны обладать:
 высокой чувствительностью и быстродействием
 низким уровнем шумов
 иметь малые размеры
 низкие управляющие напряжения и токи.
Основная задача фотоприемников — регистрация.
К фотоприемникам относятся:

Фоторезисторы

Фотодиоды на основе p-n-перехода
P-I-N Фотодиоды
Лавинные фотодиоды
Фототранзисторы



Основные характеристики фотоприемника:

Вольтовая чувствительность (регистрируемый сигнал на выходе
фотоприемника — напряжение) - показывает на сколько изменится
напряжение ΔU на выходе фотоприемника при единичном
изменении мощности ΔP падающего лучистого потока:

Токовая чувствительность(на выходе фотоприемника
изменяется ток) – величина, характеризующая изменение тока
ΔI, регистрируемого в цепи фотоприемника при единичном
изменении мощности ΔP падающего оптического излучения:

Пороговая чувствительность(наличие шумового напряжения на
фотоприемнике является физической границей регистрации
внешнего сигнала) — это минимальная энергия оптического
излучения Pm, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал,
находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

Граничная длина волны λгр, выше которой отсутствует регистрация
излучения, при межзонных переходах определяется из следующих
простых соотношений:
Фоторезисторы:
Это полупроводниковые резисторы,
изменяющие свое электрическое
сопротивление под действием оптического
излучения.
Важнейшие параметры фоторезисторов:
интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на
единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении
напряжения питания);
порог чувствительности — величина минимального сигнала,
регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих
частот.
Основной характеристикой фоторезистора является токовая
чувствительность Si.
Фотодиоды на основе p-n-перехода
Фотодио́д — приёмник оптического
излучения, который преобразует попавший на
его фоточувствительную
область свет в электрический заряд за счёт
процессов в p-n-переходе.
При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих
к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные
носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n
переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины,
диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием
электрического поля.
То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение
квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным
результатам.
Величина, на которую возрастает обратный ток, называется
фототоком.
p-i-n фотодиоды
Недостатки фотодиода на основе p-n перехода устраняются в
фотодиодах, где между p- и n-областями расположен i-слой с
собственной проводимостью.
Поскольку в i-слое свободные носители отсутствуют, при обратном
смещении p-n перехода все приложенное напряжение будет падать
на i-слое. Фотогенерированные носители в i-слое будут разделяться в
сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет
быстрым.
Основные преимущества:



высокие скорости переключения, так как поглощение излучения
происходит в i-слое, где за счет дрейфового переноса
реализуются высокие скорости для носителей заряда.
высокая квантовая эффективность, поскольку толщина i-слоя
обычно больше обратного коэффициента поглощения и все
фотоны поглощаются в i-слое.
Использование гетеропереходов для p-i-n фотодиодов позволяет
избежать поглощения света в базе фотодиода.
Лавинные фотодиоды
Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение квантовой
эффективности реализуется за счет внутреннего усиления благодаря
лавинному умножению в обратносмещенном p-n переходе.
• Просветляющее покрытие увеличивает квантовую эффективность этого
диода.
• Требование высоких значений внутреннего усиления накладывают
достаточно жесткие ограничения на качество и однородность
полупроводникового материала, поскольку коэффициент умножения
экспоненциально сильно зависит от напряженности электрического поля.
• Требование высоких обратных напряжений и прецизионной установки
напряжения питания усложняют их эксплуатацию.
Обычно сочетают преимущества лавинного и p-i-n фотоприемника.
Фототранзистор
Фототранзистор 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 (из-за большей
площади).
Солнечные батареи
Солнечная батарея - один из генераторов так называемых
альтернативных видов энергии, превращающих солнечное
электромагнитное излучение в электричество. Является
объектом исследования гелиоэнергетики. Производство
солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых
разных направлениях.
Использование
• Микроэлектроника
Для обеспечения электричеством и/или
подзарядки аккумуляторов различной
бытовой электроники — калькуляторов,
плееров, фонариков и т. п.
• Электромобили
Для подзарядки электромобилей.
• Энергообеспечение населённых пунктов
• Энергообеспечение зданий
Солнечные батареи крупного размера, как и
солнечные коллекторы, очень широко
используются в тропических и субтропических
регионах с большим количеством солнечных дней.
Особенно популярны в странах Средиземноморья,
где их помещают на крышах домов.
•Использование в космосе
Солнечные батареи — один из основных способов получения
электрической энергии на космических аппаратах: они работают
долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время
являются экологически безопасными, в отличие
от ядерных и радиоизотопных источников энергии. Однако при
полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их
использование становится проблематичным, так как поток
солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от
Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность
солнечных батарей значительно возрастает.
Методы преобразования солнечной
энергии

Первый метод связан с аккумулированием тепла в
результате поглощения солнечного излучения
теплоносителями. Наиболее наглядным примером такого
применения являются водяные радиаторы, в которых
горячая вода, нагреваемая солнечными лучами,
используется затем для хозяйственных и технических нужд.

Второй метод связан с прямым преобразованием солнечной
энергии в электрическую энергию. В этом методе
используются физические свойства потенциальных
барьеров в полупроводниковых структурах, позволяющие
разделять неравновесные носители , генерируемые
солнечным излучением. В результате этого
полупроводниковые структуры выступают как генераторы
тока и напряжения.
Физический принцип работы солнечных
батарей
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом
эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых
структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием
одного и того же полупроводника различными примесями (создание
p- n переходов) или путём соединения различных полупроводников с
неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва
электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт
изменения химического состава полупроводника, приводящего к
появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание
варизонных структур). Возможны также различные комбинации
перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от
электрофизических характеристик неоднородной
полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП,
среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она
обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в
полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:





отражением солнечного излучения от поверхности
преобразователя,
прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии
фотонов,
рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в
объёме ФЭП,
внутренним сопротивлением преобразователя.
Солнечные элементы с p-n-переходом
Рассмотрим механизм преобразования энергии оптического
излучения Солнца в энергию электрического тока с использованием
полупроводникового солнечного элемента с p-n-переходом.
Физические процессы, происходящие при этом преобразовании,
будут те же самые, что и в случае фотоприемников на основе диода с
p-n-переходом. При освещении солнечного элемента в
квахинейтральных облостях полупроводника по обе стороны от p-nперехода генерируются неосновные носители, которые вызывают
рост дрейфовой компоненты тока. Дополнительный фототок.
Появляющийся в этом случае, пропорционален освещенности и
обусловлен неосновными носителями, фотогенерированными на
расстоянии дифуззионных длин от металлургической границы p-nперехода. В отличие от фотодиода в солнечных элементах
отсутствует внешний источник напряжения.
Производство электричества электростанциями становится очень
затратных за счёт роста цен на материалы, требуемые для её
производства. Ресурсы необходимые для производства
электроэнергии становится труднее добывать и за счёт этого растёт
их цена, а вместе с ней и цена которую запрашивают
электростанции за электричество для потребителей. К тому же
производство электричества на теплоэлектростанции загрязняет
окружающую среду за счёт вредных выбросов в атмосферу при
сгорании. Проблему загрязнения окружающей среды понимают, но
все равно используют такие электростанции, так как без
электричества современному человеку не прожить. Учёные и
специалисты в энергетике разрабатывают новые, экономные и
экологически чистые способы получения электричества.
Один из современных способов производства электроэнергии –
солнечные батареи. Кто бы мог подумать что солнце, источник
света и тепла, будет ещё и помогать нам, производить
электричество, но это так.
Установка солнечных батарей позволяет экономить на
электроэнергии, в светлое время суток солнечные батареи
заряжают аккумуляторы, а в тёмное время аккумуляторы
обеспечивают освещением помещение. Современным солнечным
батареям не обязательно нужны прямые солнечные лучи для
заряда аккумуляторов днём, аккумуляторы волне нормально
заряжаются и в пасмурную погоду и в зимнее время года. Срок
эксплуатации солнечных батарей 25 лет, одноразово купив и
установив солнечные батареи можно экономить на электричестве
пол жизни.