115)Фотоэлектрические преобразователи, кпд преобразования.
Фотоэлектрическими являются такие первичные измерительные преобразователи, которые реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность преобразующего элемента. Излучение может быть видимым, т.е. световым, а также иметь большую или меньшую длину волны и быть невидимым. Известны три основных типа фотоэлектрических преобразователей: два из них официально классифицируются как полупроводниковые приборы (фотоэлектрические и фотополупроводниковые).
Фотопроводящие преобразователи
Эти преобразователи превращают изменение измеряемой величины в изменение сопротивления используемого материала (рис.8). Несмотря на то, что используемые материалы являются полупроводниковыми, фотопроводящие преобразователи не всегда являются полупроводниковыми приборами, поскольку они не имеют переходов между различными типами полупроводников.
Рис.8. Фотопроводящее преобразование
|
Рис.9. Солнечный элемент как пример фотоэлектрического преобразования |
Такие преобразователи называются пассивными, т.е. нуждаются во внешнем питании. Зачастую их название характеризует тип используемого преобразования, например светочувствительные резисторы.
Сопротивление материала является функцией плотности основных носителей заряда, и так как плотность увеличивается с возрастанием интенсивности излучения, то проводимость возрастает.
Поскольку проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, можно заключить, что сопротивление является обратной функцией интенсивности облучения. Значение сопротивления при полном облучении составляет в общем случае 100 - 200 Ом, а в полной темноте это сопротивление равняется мегаомам. В конструкции зависящих от света резисторов чаще всего используются такие материалы, как сульфид кадмия или селенид кадмия.
Солнечные элементы. Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические преобразователи, которые превращают излучаемую электромагнитную энергию в электрическую, т.е. изменение измеряемого значения излучения преобразуется в изменение выходного напряжения (рис.9).
Конструкция преобразователя включает в себя слой фоточувствительного высокоомного материала, размещенного между двумя проводящими электродами. Один из электродов выполнен из прозрачного материала, через который проходит излучение и попадает на фоточувствительный материал. При полном освещении один элемент вырабатывает выходное напряжение между электродами около 0,5 В.
Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введем понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного света.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300—350 К и Тсолнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД>90 %. На данный момент существует несколько типов полупроводниковых ФЭП, изготовленные из кремния, германия, монокристаллического или аморфного материала, гетероструктурные элементы из арсенид-галлия (GaAs). Последние характеризуются относительно высоким КПД преобразования энергии – 35-40%. КПД ФЭП из кристаллического кремния составляет 14-15%. Рассматриваются вопросы применения и разработки гетероструктурных пленочных фотоэлементов.
Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.
По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорными.
Для того, чтобы излучать свет, во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.
Чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
Преимущества.
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений.
Также, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется :
непосредственно электрическим током (прямая накачка);
электронным пучком;
электромагнитным излучением.
Под именем полупроводниковых часто встречается гибридный лазер из мощного светодиода накачки и наклеенного на него твердотельного активного элемента. Плюс таких лазеров в том что светодиодную структуру накачки можно сделать довольно протяженной и, соответственно, мощной. Механические деформации от нагрева меньше сказываются на активном элементе. "Полупроводниковые" лазеры с мощностями единицы-десятки ватт делают в основном именно по такой технологии. Визуально отличить гибридный лазер от полупроводникового довольно сложно.
Поскольку в полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают коллективно атомы, составляющие кристаллическую решётку, сам лазер может обладать очень малыми размерами.
Другими особенностями полупроводниковых лазеров являются высокий КПД, малая инерционность, простота конструкции.
Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход. В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок.