Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электронной технике, а именно к приборам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую, и технологии их изготовления, в частности к полупроводниковым фотоэлектрическим генераторам.

Известен полупроводниковый фотоэлектрический генератор (а.с 288163 СССР, 1967 г., МПК H01L 31/042), выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости p-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора.

Недостатком указанного преобразователя является недостаточно высокая эффективность преобразования.

В качестве прототипа принята конструкция полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от n-p-переходов, размещена изолирующая пленка толщиной 10-30 нм, на которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм с расстоянием между нанокластерами 60-120 нм, а над нанокластерами расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p-переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от p-n-переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, а над пленкой расположен слой пассивирующего антиотражающего покрытия из диэлектрика.

В другом варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, выполненного в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей, у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости n-p - переходов перпендикулярны рабочей поверхности генератора, на поверхности микрофотопреобразователей, свободной от p-n -переходов, размещена изолирующая пленка, в которой размещены нанокластеры металлов размером 10-40 нм, при этом изолирующая пленка выполняет функцию пассивирующего антиотражающего покрытия (патент РФ №2336596, 2007, МПК H01L 31/042. Опубл. 20.10.2008. Бюл. №29).

Недостатком указанного полупроводникового фотоэлектрического генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД фотоэлектрического генератора, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-p-p⁺(p⁺n-n*) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователя соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом φ, 30°<φ<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора плоскости пассивирующей пленки и просветляющего покрытия выполнены перпендикулярно плоскости диодных n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺) структур.

Также повышение КПД и эффективности преобразования достигается тем, что в полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненном в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователей соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом φ, 30°<φ<150°, к рабочей поверхности генератора, по всей площади рабочей поверхности генератора с двух сторон генератора размещены пассивирующие и просветляющие пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.

В варианте конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора плоскости пассивирующей и просветляющей пленки выполнены перпендикулярно плоскости диодных n⁺-p-p⁺(p⁺-n-n⁺) структур.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-2.

На фиг.1 показаны основные элементы конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, которого плоскости диодных p⁺-n-n⁺ структур наклонены под углом 60° к рабочей поверхности генератора с пассивирующей пленкой на основе окисла цинка и просветляющим покрытием из диэлектрика. На фиг.2 показаны основные элементы конструкции полупроводникового фотоэлектрического генератора, которого плоскости диодных n⁺-p-p⁺ структур перпендикулярны рабочей поверхности генератора с пассивирующей пленкой на основе оксида алюминия и оксида цинка на двух поверхностях генератора, которая совмещена с просветляющим покрытием.

На фиг.1 фотоэлектрический генератор состоит из микрофотопреобразователей 1 с диодными p⁺-n-n⁺ структурами, плоскости которых наклонены под углом φ=60° к рабочей поверхности 2 генератора, содержащих p⁺-область 3, p⁺-n-переходы 4, базовую область 5 n-типа и p⁺-область 6, внешних металлических контактов 7, внутренних металлических контактов 8, пассивирующей пленки 9, просветляющего покрытия из диэлектрика 10. Один или два линейных размера микрофотопреобразователей 1 соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области 5. Пассивирующая пленка 9 выполнена из оксида цинка и расположена на двух рабочих поверхностях 3 по всей площади поверхности генератора, толщина пленки 9 10-60 нм. Над пленкой 9 расположен слой просветляющего покрытия из диэлектрика 10.

На фиг.2 микрофотопреобразователи 1 с диодными n⁺-p-p⁺ структурами, плоскости которых перпендикулярны рабочей поверхности 2 генератора, содержат n⁺-область 11, n⁺-p переход 12, базовую область 13 p-типа и p⁺-область 14, на каждой из двух рабочих поверхностях 2 генератора по всей их площади нанесена пассивирующая пленка 15, выполненная из оксида алюминия и оксида цинка, которая выполняет также функцию просветляющего покрытия.

Полупроводниковый фотоэлектрический генератор работает следующим образом.

Падающее на рабочую поверхность 2 (фиг.1) электромагнитное излучение через просветляющее покрытие 10 и пассивирующую пленку 9 поступает на рабочие поверхности 2 микрофотопреобразователей 1. Происходит поглощение фотонов, сопровождающееся образованием электронно-дырочных пар и появлением неосновных неравновесных носителей заряда. Электронно-дырочные пары разделяются полем p⁺-n - перехода 4, что вызывает во внешней цепи фототок, направленный к базовой области 5. Одновременно излучение поступает на пассивирующую пленку 15. Встроенные электрические заряды в пассивирующей пленке активизируются излучением и создают электрическое поле, которое ускоряет неосновные носители заряда - дырки в базовой области n - типа при их движении от рабочей поверхности 2.

Это приводит к снижению потерь на поверхностную рекомбинацию на рабочих поверхностях 2 генератора и увеличению фототока и КПД в 10 раз.

В полупроводниковом фотоэлектрическом генераторе на фиг.2 электромагнитное излучение поступает непосредственно на пассивирующую пленку 15, которая выполняет функцию просветляющего покрытия. Сочетание оптических и зарядовых характеристик позволяет в ряде случаев использовать пассивирующую пленку 15 в качестве просветляющего покрытия. Для полупроводникового фотоэлектрического генератора с вертикальными диодными структурами на фиг.2 функция генерации не зависит от расстояния от n⁺-p-перехода 12, что создает возможность равномерной генерации носителей заряда в пространстве базовой области 13 между n⁺-p-переходом 12 и изотипным p-p⁺-переходом и модуляции проводимости базовой области 13 под действием излучения и электрических зарядов в пассивирующей пленке 15, что приводит к снижению последовательного сопротивления и увеличению коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями генераторов.

Пример выполнения полупроводникового фотоэлектрического генератора.

Пример 1. Фотоэлектрический генератор представляет собой матрицу из скоммутированных микрофотопреобразователей 1 с вертикальными диодными n⁺-p-p⁺ структурами. Микрофотопреобразователи 1 выполнены из кремния p-типа с вертикальными диффузионными n⁺-p и p⁺-p-переходами и сплошными вертикальными омическими контактами из никеля и олова. На двух рабочих поверхностях генератора размещена пассивирующая пленка 15 окиси алюминия Al₂O₃ толщиной 30 нм, на которой расположен слой просветляющего покрытия 10 из диэлектрика типа нитрида кремния Si_xN_y.

Пример 2. Фотоэлектрический генератор представляет собой многослойную матрицу из диодных n⁺-p⁺ структур с базовой областью n-типа. На двух рабочих поверхностях 2 генератора размещена пассивирующая пленка 9 оксида цинка ZnO толщиной 60-100 нм, которая выполняет функции просветляющего покрытия.

Следует отметить, что указанные примеры осуществления никак не ограничивают притязания заявителя, которые могут быть определены прилагаемой формулой изобретения, и множество модификаций и усовершенствований может быть сделано в рамках настоящего изобретения. Например, возможно создание в микрофотопреобразователях дополнительных р-n- или изотопных переходов, а также создание косоугольных матриц.

1. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-p-p⁺(p⁺n-n⁺) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователя соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом φ, 30°<φ<150°, к рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что по всей площади рабочей поверхности с двух сторон генератора размещена пассивирующая пленка толщиной 10-60 нм, выполненная на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а над пассивирующей пленкой расположен слой просветляющего покрытия на основе диэлектрика.

2. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что плоскости пассивирующей пленки и просветляющего покрытия выполнены перпендикулярно плоскости диодных n⁺-p-p⁺(p⁺n-n⁺)-структур.

3. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор с двухсторонней рабочей поверхностью, выполненный в виде матрицы из скоммутированных микрофотопреобразователей с n⁺-p-p⁺(p⁺n-n⁺) диодными структурами, у которых один или два линейных размера микрофотопреобразователей соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости диодных структур наклонены под углом φ, 30°<φ<150°, к рабочей поверхности генератора, отличающийся тем, что по всей площади рабочей поверхности генератора с двух сторон генератора размещены пассивирующие и просветляющие пленки, выполненные на основе одного или двух окислов следующих металлов: тантала, цинка, алюминия, молибдена и вольфрама, а также нитрида или карбида кремния.

4. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор по п.3, отличающийся тем, что плоскости нассивирующей просветляющей пленки выполнены перпендикулярно плоскости диодных n⁺-p-p⁺(p⁺n-n⁺)-структур.