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¿Cuáles son las características de las células de foto de silicio?
- Aug 06, 2018 -

Una fotocélula de silicio es un dispositivo semiconductor que convierte directamente la energía de la luz en energía eléctrica. Su estructura es muy simple, la parte central es una unión PN de área grande, que conecta un diodo de contacto de punto de una carcasa de vidrio transparente con un medidor de microamperios para formar un circuito cerrado. Cuando el dado (unión PN) del diodo se ilumina, verá que las manecillas de la mesa de microamperios están desviadas, mostrando que hay corriente en el circuito. Este fenómeno se llama efecto fotovoltaico. El área de unión PN de una fotocélula de silicio es mucho más grande que la unión PN de un diodo, por lo que la fuerza electromotriz y la corriente generada por la iluminación son mucho mayores.

La base de un fotosensor es el efecto fotoeléctrico, que es el efecto del uso de fotones para iluminar un dispositivo para causar una corriente en el circuito o para cambiar las características de conductancia. En la actualidad, los sensores fotosensibles semiconductores se han utilizado ampliamente en imágenes digitales, comunicaciones ópticas, naves espaciales, células solares y otros campos, y han desempeñado un papel importante en el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas .

Energía: las células fotovoltaicas de silicio se conectan en serie o en paralelo para formar un paquete de baterías y una batería de níquel cadmio. Puede usarse como una fuente de energía para satélites, naves espaciales, luces de navegación, estaciones meteorológicas no tripuladas, etc. También se puede usar como relojes electrónicos, calculadoras electrónicas y modelos pequeños. Fuente de alimentación para yates, etc.

Dispositivos de detección fotoeléctrica: se usan como fotorreceptores para detectores infrarrojos cercanos, lectura fotoeléctrica, optoacoplador, colimación mejorada por láser y reproducción de sonido de película.

La calidad de la batería de silicio recomienda la marca OTRON.

Dispositivo de control fotoeléctrico: se utiliza como dispositivo de conversión para dispositivos de control fotoeléctrico, como interruptores fotoeléctricos.

1. Principio de unión PN del semiconductor

En la actualidad, los fotodetectores de semiconductores son ampliamente utilizados en imágenes digitales, comunicaciones ópticas, células solares, etc. Las fotocélulas de silicio son una unidad básica de fotodetectores de semiconductores. Una comprensión profunda del principio de funcionamiento y las características específicas de las fotocélulas de silicio pueden comprender mejor el principio de las uniones PN semiconductoras. , teoría del efecto fotoeléctrico y mecanismo de generación de células fotovoltaicas.

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La Figura 1 muestra la región de empobrecimiento de la unión PN del semiconductor con polarización cero, polarización directa y polarización inversa. Cuando los materiales semiconductores de tipo P y N se combinan, es decir, no hay voltaje de polarización de la tensión aplicada (figura 1a), ya que el portador mayoritario del material de tipo P es un orificio (carga positiva), y el material de tipo N está principalmente cargado. Los portadores son electrones (carga negativa, carga NEGATIVA), y como resultado, la mayoría de los portadores se difunden uno hacia el otro. Como resultado de la difusión, los electrones y los agujeros se recombinan en la región de unión, y las regiones de tipo P en ambos lados están cargadas negativamente. La zona está cargada positivamente, formando una barrera (alrededor de 0,7 V para el silicio), y el campo eléctrico interno resultante evitará que el movimiento de difusión continúe. Cuando los dos alcanzan el equilibrio, se forma una región de agotamiento en ambos lados de la unión PN. La región de agotamiento se caracteriza por no tener portadores libres y presenta alta impedancia. Cuando la unión PN se invierte (Fig. 1b), el campo eléctrico aplicado está en la misma dirección que el campo eléctrico interno, y la región de agotamiento se ensancha bajo la acción del campo eléctrico externo, de modo que la barrera se fortalece, lo que es más perjudicial para el movimiento de difusión de la mayoría de los portadores, pero es beneficioso para la temperatura. El movimiento de deriva de los portadores minoritarios excitados por el efecto da como resultado una corriente inversa muy pequeña. Si la tensión inversa es lo suficientemente grande, la corriente inversa alcanzará una corriente de saturación IS ("1 μ A"; cuando la unión PN está polarizada positivamente (figura 1c), el campo eléctrico aplicado es opuesto al campo eléctrico interno, y la región de agotamiento está bajo la acción del campo eléctrico externo. Estrechamiento, debilitamiento de la barrera. Cuando el voltaje aplicado es mayor que el voltaje de encendido (aproximadamente 0.5 V para el silicio), la barrera será eliminada y la difusión de la mayoría los portadores continuarán, formando una corriente hacia adelante I en la dirección P N, que es la unión PN. Conductividad.

2. Principio de funcionamiento del LED LED

Cuando una unión PN formada por algunos materiales semiconductores se aplica con una tensión directa, los agujeros y electrones generarán luz de una longitud de onda específica cuando se recombinan con la unión PN, y la longitud de onda de la emisión se relaciona con la brecha de nivel de energía. Ejemplo del semiconductor material. La longitud de onda de iluminación λ P puede determinarse mediante la siguiente fórmula:

Pg / hcE (1)

Donde h es la constante de Planck yc es la velocidad de la luz. En el material semiconductor real, la brecha de nivel de energía Eg tiene un ancho. Por lo tanto, la longitud de onda de la luz emitida por el diodo emisor de luz no es única, y la anchura media de la longitud de onda de emisión de luz es generalmente de aproximadamente 25 a 40 nm, que varía dependiendo del material semiconductor. La relación entre la potencia de salida P del LED y la corriente de accionamiento IL está determinada por:

pL / pEIe (2)

Donde η es la eficiencia luminosa, Ep es la energía del fotón y e es la constante de carga.

La potencia óptica de salida tiene una relación lineal con la corriente de conducción. Cuando la corriente es grande, la potencia óptica de salida puede saturarse debido a la incapacidad de la unión PN para disipar el calor a tiempo. En este experimento, se utiliza un LED rojo de brillo ultra alto con corriente de conducción ajustable como fuente de luz experimental. El circuito de conducción y modulación del LED se muestra en la Figura 2. La modulación de la señal adopta el método de modulación de la intensidad de la luz.

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El ajustador de intensidad de la luz de transmisión se usa para ajustar la corriente del variador estático que fluye a través del LED para cambiar la potencia de luz transmitida del diodo emisor de luz. El rango de ajuste de IL de corriente del variador estático es 0 ~ 20 mA, correspondiente a la intensidad de transmisión de luz en el panel. El valor de visualización del variador VE es de 0 ~ 2000 mV (VE = 100IL, correspondiente a IL, el punto decimal está antes de la penúltima posición, la unidad es mA, XX.XX mA). La señal de modulación sinusoidal (frecuencia f = 1 ~ 1000 KHz) se acopla al paso de amplificación después de ser separada por el condensador, la red de resistencia y el amplificador operacional, y se superpone con la corriente de conducción estática del LED para provocar que el LED transmitir la señal óptica que cambia con la señal de modulación de onda sinusoidal. Como se muestra en la FIG. 3, la señal óptica variable puede usarse para determinar las características de respuesta de frecuencia de la célula fotovoltaica.

3. ¿Cómo funciona la fotocélula de silicona SPC (fotocélula de silicio)?

Una fotocélula de silicio es un fotodiodo de gran área diseñado para convertir la energía de la luz incidente en su superficie en energía eléctrica. Se puede usar como fotodetector y fotocélula, y se usa ampliamente en instrumentos portátiles espaciales y de campo. Energía.

Cuando la unión PN semiconductora está en polarización cero o inversa, hay un campo eléctrico interno en su región de agotamiento de unión. Cuando hay iluminación, los fotones incidentes excitarán los electrones unidos en la banda de valencia a la banda de conducción, y los pares excitados de electrón-agujero derivarán hacia la región de tipo N y la región de tipo P bajo la acción de la electricidad interna campo, formando una fotovoltaica hacia adelante. El voltaje VP se puede usar como fotocélula SPC para enviar corriente al exterior. Cuando se aplica una carga a través de la unión PN, una IP actual generada por foto fluye a través de la carga, y la dirección fluye desde la región de tipo P a la carga, y luego fluye a la región de tipo N del fotodiodo, opuesta a la corriente de conducción directa de la unión PN. Por lo tanto, la corriente I que fluye a través de la unión PN puede determinarse mediante la ecuación (3)

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Donde IS es la corriente de saturación inversa cuando no hay irradiación de luz, V es la tensión a través de la unión PN, T es la temperatura absoluta, k es la constante de Boltzmann, y IP es la fotocorriente generada. A temperatura ambiente 300 K, e / kT = 26 mV. Se puede ver a partir de la ecuación que cuando el fotodiodo está en polarización cero, V = 0 V, la corriente que fluye a través de la unión PN I = - IP; cuando el fotodiodo está polarizado inversamente (este experimento toma - 5 V), fluyendo a través de la PN La corriente de unión I ≡- IPS = - (IP + IS), por lo tanto IS = IPS - IP. Por lo tanto, cuando se utiliza una fotocélula fotodioda como una fotocélula, el fotodiodo debe estar a una tensión de polarización, y cuando se usa como un convertidor fotoeléctrico general, debe estar en un estado polarizado o invertido.

Cuando la fotocélula SPC está en un estado de polarización cero o polarización inversa, la IP fotocorriente generada tiene la siguiente relación con la potencia óptica de entrada Pi:

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Donde R es la tasa de respuesta, y el valor R varía con la longitud de onda de la luz incidente. El valor R de la fotocélula fabricada para diferentes materiales tiene una longitud de onda de corte en las longitudes de onda corta y larga, respectivamente. Se requiere que la energía del fotón incidente sea mayor que la energía del material en la longitud de onda larga. Brecha de nivel Por ejemplo, para asegurar que los electrones unidos en la banda de valencia obtengan suficiente energía para ser excitados a la banda de conducción. Para las células fotoeléctricas de silicio, la longitud de onda de corte de longitud de onda larga es λ T = 1,1 μ m, y en la longitud de onda corta, el material tiene un gran coeficiente de absorción UV. El valor es pequeño.

La parte izquierda de la figura 4 es un diagrama de bloques del principio de funcionamiento del extremo receptor de señal fotoeléctrica. La fotocélula convierte la señal óptica recibida en una señal de corriente ( μ A nivel) proporcional a la misma, y luego envía señales fotoeléctricas al convertidor de señal actual (convertidor I / V). Convertido a una señal de voltaje (nivel de mV) proporcional a él. El IS de la fotocélula se puede medir comparando las señales de la fotocélula con cero y polarización inversa. Cuando la señal óptica transmitida es modulada por una señal sinusoidal, la señal de voltaje de salida fotovoltaica contendrá una señal sinusoidal, por lo que la característica de respuesta de frecuencia de la fotocélula se puede medir con un osciloscopio. 4. Características de la carga fotovoltaica

La fotocélula se usa como una batería como se muestra en la parte derecha de la Figura 4. Bajo la acción del campo eléctrico interno, los fotones incidentes excitan los electrones unidos en la banda de valencia a la banda de conducción debido al efecto fotoeléctrico interno y generan la tensión fotovoltaica VP. Cuando se aplica una carga RL a través de la fotocélula, fluye una corriente, cuando la resistencia de carga Cuando la RL es grande, la tensión es grande; cuando la resistencia de carga RL es pequeña, el voltaje es pequeño. Durante el experimento, el valor de la resistencia de carga RL se puede cambiar para determinar las características de carga de la célula fotovoltaica, y se pueden obtener las características de voltios-amperios de la célula fotovoltaica.

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Figura 4. Recepción de señal fotovoltaica y diagrama de bloques de prueba característica (los números 1 ~ 4 indican los cuatro números de serie experimentales que se conectarán).

Excepto por el osciloscopio, todos los demás dispositivos están en el espectrómetro de fotocélula de silicio tipo TKGD-1

1. Determinación de la relación entre la tensión fotovoltaica y la señal óptica de entrada de la fotocélula de silicio

 

Gire el interruptor de función a " cargar " , conecte la salida de fotocélula de silicio a la resistencia de carga constante RL (por ejemplo, tome 5K) y el voltímetro digital en el analizador para ajustar la corriente del variador LED estático de 19 ~ 1 mA (2 mA / Paso), determine experimentalmente la relación entre el voltaje de salida de la fotocélula y la intensidad de luz de entrada (si el VP está sobredimensionado a IL = 19 mA, reduzca RL de forma apropiada), registre los datos y trace la curva VP - IL.

2. Determinación de las características de carga de las fotocélulas de silicio

Cuando la intensidad de luz de entrada de la fotocélula de silicio es constante (tomar IL = 10 mA), mida el cambio de la tensión de salida VP de la fotocélula con la resistencia de carga RL cuando la carga cambie de 1 a 10 K W (1 K Ω / paso). , registre los datos, encuentre la IP correspondiente y trace las curvas VP - RL e IP - VP.

3. Determinación de la relación entre la fotocorriente y la señal óptica de entrada de la fotocélula de silicio

Encienda la potencia del medidor característico y ajuste la corriente de conducción estática IL del LED. El rango de ajuste es 0 ~ 20 mA (correspondiente a la indicación de intensidad luminosa 0 ~ 2000, el valor específico corresponde a IL = XX.XX mA), y la tensión de polarización se cambia a cero, respectivamente. Sesgo y polarización inversa, conecte la salida de fotocélula de silicio a la entrada del convertidor I / V, y conecte la salida del convertidor I / V al milivoltímetro en el analizador (XXX.X mV, este grupo de convertidores generalmente es de 1 μ Una IP fotocorriente se convierte en una tensión de salida de aproximadamente 2.5 ~ 5.0 mV, que es diferente dependiendo de las condiciones específicas del instrumento.La fotocorriente I (IP e IPS) y la señal óptica de entrada IL de la fotocélula se miden en cero y relación de sesgo inverso, respectivamente. Registre los datos (redondeo IL) y trazar IP / IPS - IL en el mismo papel de coordenadas. Compare la relación entre las dos curvas de la fotocélula en el desplazamiento cero y el sesgo inverso, y encuentre el valor promedio de la corriente de saturación IS de la fotocélula.

4. Determinación de las características de respuesta de frecuencia de fotocélulas de silicio

Encienda el generador de señal, la fuente de alimentación del osciloscopio de traza doble, coloque el interruptor de función en " offset cero " y conecte la salida de la fotocélula de silicio a la entrada del módulo convertidor I / V. Deje que la corriente de polarización del LED sea de 10 mA, agregue una señal de modulación sinusoidal en el extremo de entrada de señal, y permita que el LED envíe la señal óptica modulada, mantenga sin cambios la amplitud de la señal sinusoidal de entrada (VPP = 5 V) y ajuste la señal frecuencia del generador (1, 10, 20 KHz, luego 20 KHz / paso), observe y mida el cambio de frecuencia de la señal óptica transmitida con el osciloscopio, la amplitud de la señal de salida de la fotocélula (valor de pico a pico de la Componente de CA) uPP (mV), y medir la fotocélula bajo la condición polarizada Las características de frecuencia de amplitud, registrar datos, trazar la curva de frecuencia de amplitud uP - f, y estimar su frecuencia de corte fT (70,7% de la amplitud) a 10 KHz, se estima que es preciso a 10 KHz).


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