Фотоприемники презентация

на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность – величина, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности падающего оптического излучения:

вольтовая чувствительность – как величина, показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего лучистого потока:

Перенос носителей и умножение за счет того или иного механизма, характерного для данного прибора.
Взаимодействие тока с внешней цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала.

малые размеры
низкие управляющие напряжения и токи.

в области пространственного заряда p-n перехода резко возрастает обратный ток фотодиода.
Схема фотодиода:

концентрация неосновных носителей, следовательно возрастает дрейфовая компонента тока, а диффузионная не меняется.

∆N,∆P>>Pno,Npo

∆N,∆P<

IФ = q*Lp*∆P /tp + q*Ln*∆N/tn = I∆PE +I∆NE

след слайде

Фототок от напряжения не зависит.
Область поглощения светового потока должна принадлежать промежутку (-Lp,n;Lp,n)
ВАХ сдвигаются эквидистантно.

и избыточными электронами в р-области Iг - обусловлена термо- и фотогенерацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда p-n перехода Iр - обусловлена дырками в n-области Iт - плотность темнового тока Iф - добавка за счет действия оптического излучения
Вклад в In и Ip дают те носители, которые не рекомбинируют с основными носителями и достигают за счет диффузии p-n перехода.

контакты.
Схема фоторезистора:

поглощения



Sф - площадь

где T -время релаксации, то коэффициент усиления по току выражается:

Обычно у фоторезистора время ответа больше, чем у фотодиода, поскольку между контактами большое расстояние и слабое электрическое поле.

  3. Обнаружительная способность.

являются наиболее распространенными, так как толщину обедненной области можно сделать такой, что обеспечивается оптимальная квантовая эффективность и быстродействие.

однако транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в быстродействии (из-за большей площади).

роль чувствительного элемента. На рисунке он показан в виде диода с параллельно включенной емкостью, имеет большую площадь

и более). В режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока Iph. 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.
Общий ток:

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 светоприемной поверхности, то такие фотодиоды обладают высокой квантовой эффективностью и высоким коэффициентом поглощения в области малых длин волн. Оптическое излучение полностью поглощается в ОПЗ фотодиода.

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 светоприемной 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

достаточное для развития ударной ионизации в ОПЗ, то есть, сила фототока, квантовый выход и чувствительность возрастают в М раз (М - коффициент лавинного умножения). Преимущество заключается в том, что они имеют меньшее значение мощности, эквивалентной шуму.

Неохлаждаемые
Фотоприёмники и фотоприёмные устройства
Число элементов (каналов)
от 1 до 128
Высоко скоростные, лавинные фотодиоды, pin-фотодиоды

Фотодиоды и Фотоприёмные устройства на основе Si, Ge, InGaAs для
спектрального диапазона 0,4…1,55 мкм

от 1 до 256
Не охлаждаемые и с термоэлектрическим охлаждением
С различными вариантами корпусов и бескорпусные

Фотоприёмники и фотоприёмные устройства на основе фоточувствительных плёнок PbS, PbSe для спектрального диапазона 1 - 5 мкм

интегральными считывающими устройствами
Число элементовов от 1 до сотен тысяч
Линейные и матричные фотоприёмные устройства
С охлаждением Стирлинга
С различными вариантами корпусов и бескорпусные

Фотодиоды и фотоприёмные устройства на основе InSb для спектрального диапазона 3…5 мкм

и термоэлектрическим охлаждением
С предусилителями и интегральными считывающими микросхемами
Число элементов от 1 до сотен тысяч
Линейные и матричные фотоприёмные устройства

Фотоприёмники и Фотоприёмные устройства и фотодиоды на основе фоточувствительных плёнок из CdHgTe для спектрального диапазона 3…5 и 8…12 мкм

мкм 1,3 и 1,55
Рабочее напряжение, В 35 – 45
Чувствительность
(при 1∙10-11 А×Гц-1/2), А×Вт-1 ≥6
Ёмкость, пФ ≤ 2
Время нарастания, нс ≤ 2

1,3 и 1,55
Рабочее напряжение, В 10
Диаметр фоточувствительной
площадки, мкм 200
Темновой ток, нА ≤10
Токовая чувствительность, А×Вт-1
на λ=1,3 мкм, А/Вт ≥0,6
на λ=1,55 мкм,А/Вт ≥0,8
Ёмкость, пФ ≤2
Время нарастания, нс ≤2
Рабочее напряжение, В 10
Диапазон рабочих
температур, оС от -40 до +85

0,8 – 0,9
Чувствительность
(при 1·10-12 А×Гц-1/2), А×Вт-1 ≥20
Рабочее напряжение, В 70 - 400
Ёмкость, пФ ≤3
Время нарастания, нс ≤3
Диапазон рабочих
температур, оС от -40 до +85
Диаметр сечения оптического
волокна, мкм 300

0,8 – 0,95
Диаметр фоточувствительной площадки, мм 5
Пороговая импульсная чувствительность
(при דвх=100 нс), Вт (1,95 – 3,25)·10-6
Напряжение питания, В 6,5 – 10,5
Ток потребления при (Рф=4 мВт) ≤7
Амплитуда импульсов на выходе, В ≥5
Диапазон рабочих
температур, оС от -20 до +50

мкм 1,06
Порог чувствительности (Uс/Uш=1),Вт
наружные площадки ≤1,0∙10-7
внутренние площадки ≤0,6∙10-7
Вольтовая монохроматическая импульсная
чувствительность, В/Вт 1∙10-4
Разброс чувствительности между
площадками, % ≤15
Динамический диапазон выходных сигналов
от уровня шума, дБ
наружные площадки ≤57
внутренние площадки ≤70
внутренние площадки в
режиме «Ослаблено» ≥100
Напряжение питания ФПУ, В
фотодиодов 200±10
усилителей ±12

1
Диаметр эффективной площадки, мм 1,1
Плоский угол зрения 40°
Спектральный диапазон, мкм 0,8 – 1,6
Токовая чувствительность
на λ=1,06 нм, А/Вт 0,5
на λ=1,55 нм, А/Вт 0,55
Обнаружительная способность
при λmax, Вт-1∙см∙Гц1/2 3∙1010
Время нарастания/спада переходной
характеристики, нс ≤40
Динамический диапазон 1∙107
Темновой ток, мкА ≤10
Ёмкость, пФ ≤100
Масса, г 2
Рабочее напряжение, В 10

1
Спектральный диапазон, мкм 0,4 – 1,1
Диаметр фоточувствительной
площадки, мм 0,45 – 0,55
Параметры выходного сигнала
амплитуда, В 2,5 – 4,5
длительность, нс 50-120
полярность положительная
время нарастания , нс ≤15
Напряжение питания фотодиода, В 100±10
Ток потребления по цепи усилителя, мА ≤45
Диапазон рабочих
температур, оС от -40 до +60
Габаритные размеры, мм Ø30×6,5

из самых перспективных средств для получения энергии из возобновляемых источников. Актуальность использования СБ в качестве источника энергии со временем будет только возрастать.

В настоящее время ведутся многочисленные научные исследования, в целях которых - повышение эффективности работы СБ, и повышение их доступности.

в электрическую энергию

С конструктивной точки зрения
солнечная батарея – плоская панель, состоящая из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенная с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием. Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч.

фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения.

Действие СБ основано на использовании вентильного (барьерного) фотоэффекта

- возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света.

в батарее.

Распостанненные материалы:
Si - КПД до 20%
GaAs – наиболее перспективный материал, КПД до 40%.
CdTe (теллурид кадмия) – так же перспективный материал, пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении.

с несколькими p-n переходами

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.

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.

описывается уравнением вольт - амперной характеристики (ВАХ): U = (kT/q)ln((Iф-I)Is/+1) где Is– ток насыщения, Iф – 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.

и полупроводника. При этом слой металла должен быть достаточно тонким, чтобы основная доля света достигла полупроводника. Можно выделить три компоненты фототока. Одна из них обусловлена поглощением фотонов в металле, что вызывает возбуждение дырок через барьер в полупроводник (эта компонента обозначена цифрой 1). Попадающий в полупроводник коротковолновый свет поглощается главным образом в обеднённом слое (соответствующий фототок обозначен цифрой 2).
Длинноволновый свет поглощается в нейтральном объёме полупроводника, создаёт электронно-дырочные пары; затем электроны, так же как и в случае обычного р-n перехода, диффундируют к краю обеднённого слоя, где происходит их коллектирование (этот фототок обозначен цифрой 3).
В условиях, типичных для работы солнечных элементов, возбуждение светом носителей из металла в полупроводник составляет менее 1% полного фототока, и поэтому этим процессом можно пренебречь.

еще до того, как они успевают прорекомбинировать, 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.

низких температурах, поскольку отпадает необходимость в проведении высоковольтной операции - диффузии;

Применение данной технологии при создании поликристаллических и тонкоплёночных солнечных элементов;

Высокая радиационная стойкость элементов, поскольку вблизи их поверхности существует сильное электрическое поле;

Большой выходной ток и хороший спектральный отклик, что также обусловлено непосредственным примыканием обеднённого слоя к поверхности полупроводника, вследствие чего ослабляется негативное влияние малых времен жизни и высокой скорости поверхностной рекомбинации.

КПД , чем кремниевые СЭ (монокристаллические и особенно - аморфного кремния).
КПД арсенид-галлиевых солнечных батарей доходит до 35-40%. Их максимальная рабочая температура - до +150 оС, в отличии от + 70 оС - у кремниевых батарей.
Их теоретический КПД выше, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

полупроводников.

Фотоны с энергией, меньшей Eg1, но большей Eg2, будут проходить через слой первого полупроводника, который играет роль оптического окна, и поглощается во втором полупроводнике. Носители, генерируемые излучением внутри обедненного слоя и в электронейтральном объеме полупроводника в пределах диффузионной длины от перехода, будут коллектироваться переходом подобно тому, как это имеет место в солнечных элементах с n - p-гомопереходами. Фотоны с энергией, большей Eg1, поглощаются в первом полупроводнике, и переход будет коллектировать носители, генерируемые этим излучением на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионную длину, либо непосредственно в области пространственного заряда

- n-переходами:
Увеличение спектрального отклика в коротковолновом диапазоне при условии, что энергия Eg1 достаточно велика и фотоны с высокой энергией поглощаются в обедненном слое второго полупроводника;
Понижение последовательного сопротивления при условии, что первый полупроводник можно сильно легировать, не ухудшая при этом условия прохождения света через него;
Более высокая радиационная стойкость, если первый слой полупроводника достаточно толстый и полупроводник имеет широкую запрещенную зону.

свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными.

Каскадные СЭ работают со значительно большей частью солнечного спектра, и эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

для снабжения электроэнергией аппаратуры спутников и систем жизнеобеспечения космических кораблей и станций, а также заряжают электрохимические аккумуляторы, используемые на теневых участках орбиты.

На земле СБ в основном используются для питания устройств автоматики, переносных радиостанций и радиоприёмников, для катодной антикоррозионной защиты нефте- и газопроводов. Всё более часто СБ применяются в различных бытовых устройствах, которые доступны широкому кругу потребителей.