Referat Fotodiode Si Fotoelemente

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Fotodiode Si Fotoelemente si de asemenea puteti face Download Referat Fotodiode si fotoelemente

Citeste fragmente din Referat Fotodiode Si Fotoelemente

FOTODIODE SI FOTOELEMENTE 1. Introducere În lucrare se studiază efectul fotovoltaic în joncţiuni p-n, precum şi aplicaţiile acestui fenomen în fotodetectori (fotodiode) sau ca celule de conversie directă a radiaţiei luminoase în energie electrică (fotoelemente, celule solare). ) putem presupune că generarea purtătorilor de neechilibru are loc practic la planul x = 0. Ei difuzează spre interior concentraţia lor scăzând cu distanţa datorită recombinării, după legea: (1) . Purtătorii care nu recombină şi ajung în zona câmpului intern al joncţiunii, sunt separaţi de către aceasta, electronii de concentraţie n(dp) fiind antrenaţi în regiunea “n” a structurii, golurile de neechilibru fiind “blocate” de barieră în regiunea p, cele două regiuni încarcându-se negativ, respectiv pozitiv, până la atingerea unui regim staţionar datorită concurenţei proceselor de generare şi recombinare. Această încarcare conduce la apariţia unui câmp electric staţionar opus celui al joncţiunii, care se distribuie tot în zona stratului de baraj şi care micşorează bariera de potenţial la fel ca la aplicarea unei tensiuni directe. determinaţi de scăderea barierei de potenţial compensează total atât curenţii de câmp generaţi termic cât şi pe cei determinaţi de sarcinile de neechilibru generate optic (curenţi inverşi): (2) (3) În acest caz la bornele dispozitivului apare o diferenţă de potenţial V=Vmax=VF, polaritatea acestei tensiuni fiind determinate de semnele sarcinilor acumulate: (“+” la p) şi (“-“ la n). Dacă dispozitivul este legat în serie cu o rezistenţă de sarcina R (fig.1b) în circuit apare un fotocurent opus ca sens celui care ar trece prin R dacă joncţiunea neiluminată ar fi polarizată de la o sursă externă, la aceiaşi tensiune (directă), adică fotocurentul are acelaşi sens ca şi curentul invers de generare al joncţiunii neiluminate (curentul de saturaţie). Prin urmare dispozitivul funcţionează ca generator de curent; în regim de scurtcircuit (R=0) fotocurentul este maxim şi V=0. În funcţie de rezistenţă de sarcina R, mulţimea punctelor (I,V) determină o curbă în cadrul patru al planului (I,V) numită caracteristica fotoelementului, fig.2. De fapt chiar pentru R=0, căderea de tensiune pe diodă nu este nulă deoarece există contribuţia rezistenţei serie a dispozitivului, rs, determinată de rezistenţele regiunilor neutre şi ale contactelor. Remarcăm pentru acest mod de funcţionare că produsul P=IV<0, în concordanţă cu convenţia termodinamică pentru dispozitive generatoare de putere, intersectând caracteristica din fig.2 cu dreapta de ecuaţie V= -RLI obţinem punctul de funcţionare al dispozitivului, puterea debitată fiind egală cu aria dreptunghiului haşurat. Se observă cu uşurinţă că există o singură valoare a rezistenţei de sarcina RLm pentru care puterea debitată este maximă. dar utilizarea acestei ecuaţii necesită cunoaşterea ecuaţiei caracteristicii I = I(V). < 0 şi are valoarea 1,2 ( 1,6 %/oC pentru Si; Sensibilitatea integrală S(nA/1x pentru fotodiode A/1x sau A/W pentru fotocelule) se defineşte ca raportul între curentul invers la tensiunea VR şi iluminare pentru fotodiode şi raportul între curentul de scurt-circuit şi iluminare sau puterea radiantă pentru fotocelule. se determină din dependenţa S(= F(()(V.fig.6) (p este apropiat de valoarea corespunzătoare pragului absorbţiei. Sensibilitatea spectrală S( (A/W) este raportul între curentul invers la tensiunea VR (sau pentru fotocelule, curentul pentru scurt-circuit şi puterea radiantă (=(p. se defineşte ca intervalul spectral de o parte şi de alta a lui (max în care sensibilitatea scade cu cel mult 50% faţă de valoarea maximă. se defineşte ca raportul dintre numărul de electroni generaţi optic care străbat joncţiunea (şi participă la curent) şi numărul fotoni incidenţi la (=(p. Pentru tipurile moderne de fotodiode şi fotocelule are valori intre 0,7 şi 0,9. Aria fotosensibilă A (mm2) este aria liberă a dispozitivului neacoperită de contacte. Pentru fotodiode, A este cuprinsă între fracţiuni de mm2 şi câţiva mm2, iar pentru fotocelule de la câţiva mm2 până la câţiva cm2. Tipul capsulei. Ferestrei(lentilei). Întrucât capsulele sunt standardizate, indicativul ei arată dimensiunile şi schema de conectare a terminalelor. Fereastra poate fi plană sau sub formă de lentilă din epoxi pentru care se prezintă diagrama polară, adică caracteristici de directivitate (v.lucrarea diode luminiscente). Există o serie de caracteristici care se referă numai la fotodiode sau numai la fotocelule. Astfel, pentru fotocelule care sunt generatoare de putere, aceste caracteristici se definesc. Puterea generata maximă Pm(mW) este puterea maximă generată la o putere radiantă incidentă, standard (de ex. 100mW/cm2), când rezistenţa de sarcină din circuit are valoare optimă. Aceasta din urmă se determină din caracteristica statică din cadrul IV (v.fig.2), astfel că aria dreptungiului înscris sub caracteristică sa fie maximă, adică egala cu Pm. Fotocurentul pentru putere maximă Im (mA) este latura pe axa curenţilor a dreptungiului de arie maximă (v.fig.2) Tensiunea fotovoltaică pentru putere maximă Vm(V) este latura pe axa tensiunii a dreptungiului de arie maximă (v.fig.2). Factor de formă (sau de umplere). FF reprezintă raportul între puterea generată maximă Pm şi puterea “ideală” ISCVOC. Se poate observa ca FF<1. se defineşte ca raportul între puterea electrică generată maximă şi puterea radiantă incidentă. Pentru fotodiodele care pot funcţiona ca şi fotodetectori de semnale optice rapid variabile şi slabe, se definesc şi alte caracteristici ca: timpii de comutaţie şi parametrii de zgomot. Timpul de întârziere (sau timpul de răspuns) td(ns sau (s), se defineşte ca timpul scurs între momentul aplicării semnalului luminos şi cel la care fotocurentul creşte până la 0,1 din valoarea sa maximă (fig.7). Timpul de creştere tr (ns sau (s), timpul în care fotocurentul creşte de la 0,1 la 0,9 din valoarea sa maximă (fig.7) iar td+tr=ton . Timpul de stocare (storage), tS(ns,(s) este timpul în care fotocurentul scade la 0,9 în valoarea maximă după încetarea semnalului (fig.7). Timpul de cădere tf (ns,s) este timpul în care fotocurentul scade de la 0,9 la 0,1 din valoarea maximă iar ts + tt = toff . Pentru determinarea timpilor de comutaţie de mai sus, se poate folosi montajul din fig.8 care permite vizualizarea pe oscilograf cu două canale a celor două pulsuri, reprezentate schematic în fig.7. Drept sursă de lumină, se foloseşte un LED (de ex. Din GaAs) alimentat cu un generator de pulsuri dreptungiulare cu front de durată scurtă. Durata pulsului tp trebuie să fie suficient de mare pentru ca fotocurentul să poată ajunge la palier, iar perioada de repetiţie tc trebuie să fie de 50-100 ori mai mare decât durata pulsurilor. Curentul IF şi distanţa d se reglează pentru a lucra la un anumit current LL,(de ex. 100(A). Pentru semnalele optice slabe, definiţia sensibilităţii dată mai sus nu este suficientă, fiind necesar sa se ţină seama că sensibilitatea este limitată atât la nivelul de zgomot al dispozitivului, cât şi al schemei de măsură. Puterea echivalentă de zgomot NEP(W Hz-1/2) se defineşte ca puterea medie a radiaţiei incidente P care dă la ieşire un semnal mediu Vn egal cu valoarea medie a zgomotului propriu, detectorului Vs, când acesta nu are semnal la intrare (prin medii se înţeleg aici medii pătratice). (W Hz-1/2) Pentru fotodiodele din Si, Nep ajunge de 10-15W Hz-1/2 . Detectivitatea D* (cm W-1Hz1/2) este inversul NEP înmulţit cu A1/2, unde A este aria suprafeţei fotosensibile (deoarece ne arată că NEP depinde de A1/2) ceea ce permite compararea fotodetectorilor de diferite A2. Pentru fotodiode de Si, D* ajunge la valori de 1014 cm W-1 Hz1/2. , diagrama polară pentru ISC etc. 3.Sarcinile lucrărilor şi modul de lucru În lucrarea de faţă, se studiază funcţionarea fotodiodelor şi fotocelulelor şi se determină experimental unele dintre caractereisticile de mai sus. Astfel, pentru fotodiodă se determină: a) caracteristica I-V de intuneric b) caracteristicile I-V la trei valori ale fluxului luminos, c) dreapta de sarcina d) sensibilitatea integrala. In cazul fotoelementelor, în laborator, se determina: 2) a) tensiunea la circuit deschis VOC precrum şi circuitul de scurt-circuit ISC la o valoare a fluxului luminos caracteristica statică de ieşire la un anumit flux luminos pentru aceasta caracteristică, mărimile RLM, Pm , Vm ,FF randamentul de conversie Instalaţia experimentală este constituită dintr-un banc optic, pe care sunt montate sursa luminoasă şi dispozitivul astfel încât distanţa dintre acestea două poate fi variată. Dispozitivul, fotodiodă sau fotoelement, este legat într-un circuit serie format dintr-o sursă de tensiune reglabilă de polarizare(ST), un miliampermetru şi o rezistenţă de sarcină R, ca în fig.9. Cu ajutorul unui volmetru electronic se citeşte tensiunea de pe dispozitiv. Cu aceasta instalaţie se realizează obiectivele de la punctul 1 astfel: a) se ridică punct cu punct caracteristica de întuneric b) conectându-se sursa luminoasă, se ridică în mod analog, pentru trei valori distincte ale fluxului luminos obţinute prin alegerea a trei distanţe d1, d2, d3 dintre sursă şi dispozitiv, caracteristicile ((1), ((2) şi ((3) . c) considerând punctul Ao de funcţionare a dispozitivului, adică la întuneric (v.fig.5), pentru o anumita rezistenţă de sarcină, R, şi o tensiune de polarizare inversă, se construieşte dreapta de sarcină (() urmărindu-se deplsarea punctului de funcţionare pentru mai multe valori ale fluxului luminos. d) măsurându-se cu un aparat special (luxmetru) nivelul iluminării date de sursă se determină sensibilitatea integrală a dipozitivului pentru o anumită tensiune standard de polarizare, VR, după expresia: În cazul fotoelementelor, obictivele propuse se ating analizând caracteristica acestuia din cadranul IV. a,b) Într-un circuit ca cel din fig.9 dar din care lipseşte sursa de tensiune de polarizare se ridică puct cu punct caracteristica statică de ieşire prin variaţia rezistenţei de sarcină. Pentru valorile extreme R= ( (circuit deschis) şi R= 0 (scurt-circuit), vezi discuţia referitoare la rezistenţa serie a fotoelementelor, se obţin mărimile VOC şi respectiv ISC . c) Din aceasta caracteristică se obţin parametrii RLm,Im, Pm , Vm ,FF d) Folosind un aparat special care permite măsurarea puterii luminoase incidente (power-metter) se determină randamentul de conversie. 쥁@