Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE Ćwiczenie nr 8 Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - model pasmowy półprzewodnika, - konduktywność półprzewodników domieszkowanych i niedomieszkowanych, - wpływ światła na konduktywność półprzewodnika, - wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne, - parametry fotorezystorów, - charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n, wzór Shockley a, - wpływ światła na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n, - dioda półprzewodnikowa jako detektor promieniowania (parametry, budowa), - ogniwo słoneczne (parametry, budowa). II. Program zajęć - pomiar zależności rezystancji fotorezystora od natężenia oświetlenia, - pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody, - pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa słonecznego (wyznaczenie parametrów charakterystycznych) III. Literatura LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 1. Notatki z wykładu 2. A. Świt, J. Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, 1979 3. B. Streetman - Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, 1976 Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych.
2 1. Wiadomości wstępne 1.1 Wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne Fotony absorbowane przez półprzewodnik mogą spowodować powstanie nośników prądu w drodze generacji par elektron-dziura (przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa) lub w drodze generacji jednego typu nośników z poziomów domieszkowych (jonizacji donorów lub akceptorów w niskich temperaturach). Warunkiem wystąpienia opisanych efektów jest odpowiednia energia absorbowanego fotonu. Parametr λ nazywany jest krawędzią absorpcji optycznej materiału, tzn. dla λ λ promieniowanie jest absorbowane, a dla λ > λ nie zachodzi zjawisko absorpcji (półprzewodnik jest przeźroczysty dla tych długości fal). Warunek owy zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. Półprzewodnik samoistny: a ponieważ: c ν, λ h Wg, ch W, czyli m g 1,24 (1) W ev gdzie: Wg przerwa zabroniona, h stała Plancka, ν częstotliwość fotonów, c- prędkość światła. g Wartości owej długości fali zostały zebrane w Tabeli 1, natomiast znormalizowaną fotoodpowiedź (czułość względną) w funkcji długości fali światła dla różnych półprzewodników przedstawiono na Rys. 1. Czułość znormalizowana lub względna oznacza czułość zmierzoną dla danej długości fali λ i odniesioną do czułości maksymalnej uzyskanej dla określonego zakresu długości fali. Definicję czułości podano w p. 1.4. Tabela 1. Wartości owej długości fali półprzewodników. oraz przerwy zabronionej dla wybranych półprzewodnik InSb Ge Si GaAs GaN [m] 7,3 1,8 1,1 0,87 0,37 Wg [ev] 0,17 0,7 1,1 1,4 3,4
3 Rys. 1. Przebieg znormalizowanej fotoodpowiedzi (czułości względnej) dla kilku materiałów półprzewodnikowych oraz oka ludzkiego w funkcji długości fali; a-si-krzem amorficzny, c-si krzem monokrystaliczny. [http://www.greenrhinoenergy.com/solar/technologies/pv_cells.php]. Półprzewodnik domieszkowany, w którym atomy domieszek nie są zjonizowane taki stan występuje w bardzo niskich temperaturach, T <50 K. ch dla półprzewodnika donorowego: h W c Wd, stąd W W 1,24 m (2) W W ev c d c d dla półprzewodnika akceptorowego: h W a W, stąd ch W W a 1,24 m (3) W W ev gdzie: Wa, Wd - poziomy domieszek odpowiednio akceptorowych i donorowych. Przykładowe wartości owej długości absorbowanego promieniowania (krawędzi absorpcji) dla germanu domieszkowanego różnymi pierwiastkami podano w Tabeli 2. Są to długości fal w zakresie dalekiej podczerwieni. Tabela 2. Wartości owej długości fali dla Ge domieszkowanego atomami Au oraz Zn Ge materiał domieszka Au [m] a v Ge domieszka Zn 15 40
4 1.2. Wpływ światła na konduktywność półprzewodnika Konduktywność półprzewodnika oświetlonego f wyraża się sumą konduktywności ciemnej o (półprzewodnik nieoświetlony) i konduktywności fotoelektrycznej (przyrost konduktywności półprzewodnika wynikający z oświetlenia): f o o q n p o n gdzie: n, p - ruchliwości elektronów i dziur, no, po - koncentracje równowagowe elektronów i dziur, q - ładunek elementarny, = q (nn + pp) (5) Przyrost liczby generowanych nośników n, p jest liniową funkcją strumienia świetlnego (dla małych mocy promieniowania) i wyraża się wzorem: n = k - dla elektronów (dla dziur analogicznie) (6) gdzie: - wydajność kwantowa, proporcjonalna do ilości par elektron-dziura generowanych przez jeden padający foton (najczęściej =1); k - współczynnik absorpcji światła półprzewodnika; - strumień świetlny; - czas życia nośników. Konduktywność półprzewodnika jest więc także liniową funkcją strumienia świetlnego w granicach stosowalności wzoru (6). Właściwość tą wykorzystuje się w fotorezystorach. Wzrost konduktywności półprzewodnika pod wpływem generacji nośników przekłada się na zmniejszenie rezystancji fotorezystora. Przy stałym napięciu przyłożonym do fotorezystora spowoduje to określony przyrost prądu w obwodzie. Do parametrów charakterystycznych fotorezystorów zalicza się: wartość rezystancji ciemnej (zwykle zakres M), wartość rezystancji przy określonym natężeniu oświetlenia E (np. 1k dla E=1klx) oraz zakres widmowy (zakres fal optycznych dla którego padające promieniowanie powoduje zmniejszenie rezystancji elementu) oraz czułość. 1.3. Wpływ światła na złącze p-n Zależność prądowo-napięciową oświetlonego złącza p-n opisuje zmodyfikowany (tzn. uwzględniający prąd złącza wywołany oświetleniem) wzór Shockley a: I I qu kt o p (4) s exp I s I (7) dla polaryzacji zaporowej złącza lub przy jej braku (U=0) prąd złącza praktycznie jest równy
5 I ( I I ) s (8) W przypadku braku oświetlenia (=0) mamy do czynienia z prądem ciemnym: gdzie: Is - prąd ciemny (generacji lub nasycenia), I I s (9) I - fotoprąd, prąd związany z występowaniem wewnętrznego efektu fotoelektrycznego. Fotoprąd zależy w sposób liniowy od strumienia świetlnego (ilości padających fotonów), a nie zależy od napięcia polaryzacji złącza. Pole elektryczne złącza p-n powoduje natychmiastowe rozdzielenie nośników generowanych przez fotony w obszarze złącza i przepływ zwiększonego prądu w obwodzie zewnętrznym. Również nośniki prądu generowane poza obszarem złącza, ale w jego pobliżu, dyfundując do obszaru warstwy zaporowej, podlegają działaniu pola w złączu i biorą udział w przepływie prądu. Na Rys. 2 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową oświetlonego złącza p-n. Prąd płynący przez złącze przy braku oświetlenia (=0) nazywany jest prądem ciemnym. Parametrem rodziny krzywych jest strumień świetlny (odpowiadający mocy padającego światła Popt wyrażonej w lumenach) lub natężenie oświetlenia E (jednostką jest luks, przy czym: 1lx=1lm/m 2 ). Rys.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n oświetlonego strumieniem światła. Jak widać, ze wzrostem strumienia świetlnego rośnie prąd wsteczny złącza spolaryzowanego zaporowo (wykres w III ćwiartce układu współrzędnych). Ten rodzaj pracy, czyli polaryzacja złącza stałym napięciem w kierunku zaporowym, jest wykorzystywany w fotodiodach. Fotodiody pracują jako czujniki promieniowania optycznego w wielu zastosowaniach; w telekomunikacji światłowodowej przede wszystkim jako detektory sygnałów optycznych modulowanych wielką częstotliwością.
6 Natomiast obszar charakterystyki prądowo-napięciowej leżący w ćwiartce IV jest częścią charakterystyki oświetlonego niespolaryzowanego złącza p-n. W tym obszarze zjawisko fotowoltaiczne (mechanizm rozdzielania generowanych nośników w polu elektrycznym złącza p-n) powoduje, że złącze p-n pracuje jako element dostarczający moc elektryczną. Ten efekt wykorzystywany jest w fotoogniwach i ogniwach słonecznych. 1.4. Parametry fotodetektorów Podstawowymi parametrami fotodetektorów są: rezystancja ciemna dla fotorezystorów (zdefiniowana w p.1.2) prąd ciemny dla fotodetektorów złączowych (zdefiniowany w p.1.3) czułość prądowa fotoelementu (fotorezystora i fotodiody złączowej) dla światła monochromatycznego, o długości fali - λ, określa się następującymi wzorami: I A I A C lub C (10) P W E lx gdzie: P - moc padającego promieniowania, E - natężenie o świetlenia, I - przyrost prądu (fotoprądu) w stosunku do prądu ciemnego przy określonym napięciu na fotoelemencie. zakres widmowy pracy - definiujący przedział długości fal optycznych, dla których fotodetektor (fotorezystor jak i fotodioda) jest czuły. Przebieg czułości prądowej w funkcji długości fali, czyli charakterystykę spektralną czułości, fotodetektorów wykonanych z różnych półprzewodników przedstawiono na Rys. 3. Rys. 3. Zależność czułości prądowej w funkcji długości fali dla fotodetektorów wykonanych z różnych materiałów półprzewodnikowych. [http://www.mfaoptics.com/pdm%20series%20g.htm].
7 Czułość fotodetektora zależy od rodzaju półprzewodnika i długości fali świetlnej. Zwykle w katalogach podaje się wartość maksymalną czułości dla optymalnej długości fali oraz zakres widmowy pracy (np. wyznaczony spadkiem czułości do 50% wartości maksymalnej). 1.5. Parametry ogniw fotowoltaicznych (fotoogniw, ogniw słonecznych) Definicje parametrów fotoogniw przedstawione zostaną z wykorzystaniem ograniczonej do pojedynczego poziomu strumienia światła Ф charakterystyki prądowonapięciowej z Rys.2. i przedstawionej na Rys.4.. = const Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa oświetlonego fotoogniwa. Opisane w p.1.3. zjawisko fotowoltaiczne powoduje powstanie na zaciskach złącza siły elektromotorycznej fotoogniwa czyli napięcia fotowoltaicznego, które inaczej nazywane jest napięciem rozwarcia fotoogniwa Uoc. Napięcie rozwarcia Uoc, można wyznaczyć ze wzoru (7) opisującego prąd oświetlonego złącza p-n. Dla ogniwa rozwartego, prąd w obwodzie zewnętrznym nie płynie, czyli a stąd, napięcie rozwarcia: qu oc I exp 1 s I 0 nkt (11) nkt I U oc ln 1 q I s Na charakterystyce prądowo-napięciowej ogniwa fotowoltaicznego (Rys.4.), wartość siły elektromotorycznej odpowiada punktowi przecięcia charakterystyki z osią odciętych (U). Przecięcie tej charakterystyki z osią rzędnych (I) wyznacza prąd zwarciowy Isc ogniwa fotowoltaicznego, czyli prąd ogniwa zwartego dla U=0. Na charakterystyce I-U wyznaczyć
8 można punkt Pmax, w którym moc elektryczna dostarczana przez ogniwo będzie maksymalna. Przez punkt mocy maksymalnej o współrzędnych (Um, Im), który jest punktem pracy ogniwa oraz początek układu współrzędnych wykreślić można prostą obciążenia. Nachylenie tej prostej związane jest z wartością rezystancji obciążenia Robc dołączonego do ogniwa. Obciążenie powinno mieć tak dobraną wartość, aby prosta obciążenia o nachyleniu 1/Robc ustalała punkt pracy dla Pmax Ważnym parametrem fotoogniw jest współczynnik wypełnienia FF (ang. fill-factor) definiowany jest jako (patrz Rys. 4) stosunek maksymalnej mocy wydzielonej w obciążeniu Pmax do iloczynu IscUoc: FF I I m m. (13) sc U U oc Wartość współczynnika wypełnienia świadczy o jakości fotoogniwa, dla ogniw słonecznych o dobrej konstrukcji i technologii zawiera się w granicach 0,7 0,8. Ważnym, z energetycznego punktu widzenia, parametrem ogniw fotowoltaicznych jest ich sprawność definiowana jako stosunek wytworzonej mocy elektrycznej do mocy padającego promieniowania świetlnego (Pwe): Im Um 100% (14) P we Sprawność wytwarzanych przemysłowo krzemowych ogniw słonecznych wynosi: 5 10% dla krzemu amorficznego, 14 17% dla krzemu polikrystalicznego, 18 24% dla krzemu monokrystalicznego. Natomiast sprawność teoretyczna ogniwa krzemowego sięga 34%. 2 Pomiary Jako źródło promieniowania świetlnego stosujemy rzutnik z żarówką halogenową. Wielkość strumienia światła jest proporcjonalna do natężenia oświetlenia E. Oświetlenie mierzonego elementu fotoelektrycznego maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości elementu od źródła światła. Przed pomiarami elementów należy wyskalować źródło światła dla danego stanowiska za pomocą luksomierza według wskazówek Prowadzącego. Pomiary charakterystyk elementów wykonujemy zmieniając jego położenie względem źródła światła. Charakterystyki mierzymy dla kilku wartości natężenia oświetlenia.
9 2.1 Pomiar charakterystyki fotorezystora Zależność rezystancji fotorezystora od oświetlenia należy zmierzyć w układzie jak na Rys.5, a wykreślić w liniowym układzie współrzędnych jako zależność R -1 =f(e) gdzie: R - rezystancja fotorezystora, E - natężenie oświetlenia wyrażone w klx (kiloluksach). Rys. 5. Układ do pomiaru zależności rezystancji fotorezystora od oświetlenia. 2.2 Pomiar charakterystyki I=f(U) E=const., dla fotodiody pracującej jako fotodetektor Zmierzyć charakterystyki I=f(U) E=const. fotodiody, dla trzech wartości oświetlenia, w układzie jak na Rys.6. Polaryzacja w kierunku zaporowym UR=5V 15V. UWAGI: zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację elementu i dopuszczalne napięcie polaryzacji i diody, do pomiarów wykorzystać mierniki (woltomierz i amperomierz) połączone z komputerem interfejsem RS-232 zmierzyć i wykreślić charakterystyki za pomocą ramu Rejestrator w opcjach funkcji Pomiar wybrać tryb Natychmiastowy Rys.6. Układ do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody pracującej jako fotodetektor. 2.3 Pomiar charakterystyk I=f(U) dla ogniwa fotowoltaicznego W układzie jak na Rys.7. zmierzyć zależność I=f(U) ogniwa, dla co najmniej trzech wartości natężenia oświetlenia (Φ=parametr). Przebieg charakterystyki I-U otrzymujemy zmieniając płynnie wartość rezystora regulowanego Robc, który jest obciążeniem ogniwa. Zmieniając płynnie wartość obciążenia zmieniamy położenie punktu pracy ogniwa.
10 Pomiar należy przeprowadzić i wydrukować charakterystyki za pomocą ramu Rejestrator (w opcjach funkcji Pomiar wybrać tryb pomiaru Opóźniony). UWAGI: Rys.7. Układ do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa słonecznego. dla Robc 0 uzyskujemy warunek bliski I=Isc, w celu odczytu ISC należy odłączyć rezystor Robc i zewrzeć układ ogniwa, dla Robc uzyskujemy warunek bliski U=Uoc, I 0, w celu odczytu Uoc rozewrzeć obwód odłączając Robc. Pomiaru charakterystyk ogniwa fotowoltaicznego można dokonać również metodą techniczną, zmieniając wartość rezystancji obciążenia (R=10Ω 10kΩ) i mierząc odpowiadające jej wartości prądów i napięć (Rys.8). Charakterystyki należy wówczas narysować ręcznie na papierze milimetrowym. Płytka z rezystorami Rys.8. Układ do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa słonecznego. Na podstawie uzyskanych charakterystyk I-U ogniwa dla maksymalnego oświetlenia: - wyznaczyć punkt mocy maksymalnej Pmax (określić orientacyjnie, porównując wartości mocy w wybranych 3 punktach położonych w zakresie kolana charakterystyki I-U),, - wyznaczyć wartość optymalnego obciążenie Robc, - wyznaczyć wartość napięcia rozwarcia Uoc i prąd zwarcia Isc, - obliczyć współczynnik wypełnienia FF ogniwa, - obliczyć sprawność ogniwa zakładając gęstość mocy wejściowej (oświetlenia) równą 50mW/cm 2.