CC BY
13
УДК 621.382.3
Н.И. СЛИПЧЕНКО, В.А. ПИСЬМЕНЕЦКИИ, Н.Н. ЯНОВСКАЯ, А.В. ФРОЛОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОВЫХ НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С n+-p-p+-СТРУКТУРОЙ
Приводятся результаты сравнительного анализа расчетных и экспериментальных световых нагрузочных ВАХ кремниевых фотопреобразователей (ФП) с n+-p-p+- структурой, отличающихся технологией изготовления и диодными параметрами Rn , R№ Is. Для моделирования ВАХ применялся предложенный авторами алгоритм на основе модифицированной эквивалентной схемы ФП и рекуррентного уравнения.
Введение
Как известно [4], соотношения для исследования зависимости нагрузочных ВАХ ФЭП от диодных параметров являются достаточно громоздкими и, как показывает практика предыдущих исследований [4], практически не применяются для моделирования указанных зависимостей. Это подтверждается предложенными в [4] тремя моделями ВАХ ФЭП, использующими экспериментально полученные значения Uxx, 1кз, Rm
Таким образом, возникает задача разработки алгоритма вычисления нагрузочных ВАХ ФЭП с учетом эквивалентной схемы на рис. 1,а и ее основных параметров.
1ф
1д1+ 1д2
V
Ьн
Bin
а б
Рис. 1. Схемы ФЭП: а - эквивалентная схема ФЭП; б - модифицированная эквивалентная схема ФЭП
Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования, связанные с анализом влияния макропараметров (последовательное сопротивление Rп, шунтирующее сопротивление Rш и ток насыщения У на выходные световые характеристики кремниевых ФП.
Объектами исследования являются кремниевые п+-р-р+ -фотоструктуры на основе монокристаллического кремния марки КДБ-10, полученные диффузионным легированием с использованием жидко-растворных композиций (ЖРК) и твердых источников типа
Методы исследования: измерение электрофизических параметров образцов фотопреобразователей (ФП) и их статистическая обработка, а также методы моделирования с применением пакета программ Mathcad.
Основная часть
Проанализируем распределение токов и напряжений не только в граничных режимах короткого замыкания и холостого хода, но и во всем интервале изменения нагрузок Rн=var или Ян е (0, Ян ^ да) и напряжений ин^аг или ин е (0, интах ^ да). Для решения этой задачи рассмотрим более подробно режимы работы эквивалентной схемы ФЭП (рис. 1, а) и далее преобразуем ее в модифицированную (рис. 1 ,б), при соблюдении следующих условий:
- во всех режимах работы параллельно диоду подключается эквивалентное сопротивление Rэ, которое изменяется при изменении Rн;
- напряжение на Rэ всегда равно напряжению на диоде;
- ток через диод 1д независимо от режима работы однозначно определяется его ВАХ и соответственно подводимым напряжением ид;
- фототок 1ф при изменении Rн сохраняется неизменным и равным сумме токов 1ф = 1д + 1Я. С учетом перечисленных начальных условий запишем соотношения перехода от традиционной эквивалентной схемы (см. рис 1,а) к модифицированной (см. рис. 1,б):
!ф = !д + ^ = !ф -!д, (1)
R = Rш (Rп + Rн) (2)
Э Яш + Rп + Rн, (2)
о + Я + Я
Т —Т _1_т —Т —Т ш т п т ^н
= 1ш + 1н = = 1н-О-, (3)
и д = 1яЯэ, (4)
- - "шКПТ+ОН- (5)
Работа модифицированной схемы описывается рекуррентным уравнением [1,3]
1 +1*
(1ф - 1д)Оэ —(6)
которое фактически отражает взаимосвязь между напряжением ид и током 1д при изменении Яэ, включенного параллельно диоду при условии, что сумма токов 1д и остается постоянной. На рис. 2 представлено графо-аналитическое решение этого уравнения при
условии, что 1ф сохраняется постоянным. Здесь же представлены 1д - f (ид) диода и ток
Т И д „ „
-- в виде линейной зависимости.
1Ф= const
Рис. 2. График зависимости 1Ф, 1д и IR при 1Ф = const, Rn = const, = const Для выполнения расчетов выходной нагрузочной характеристики с помощью соотношений (1)-(5) преобразуем рекуррентное уравнение к виду:
Ih • (Rn + RH) = ^^ 1п((1ф -IH •Rm +RRn + RH + IS)■ 1L)
e Rm iS
(7)
При расчетах используются экспериментальные значения параметров Яп, Яш и Фототок 1Ф находится с учетом измеренного тока 1КЗ. и перечисленных параметров.
Для проверки адекватности предлагаемой модели нахождения зависимостей 1н=Дин) кремниевых ФЭП измерялись следующие параметры экспериментальных образцов фотоприборов, изготовленных в ГП НИТИП на основе кремния марки КДБ-10 со структурой п+-р-р+: напряжение холостого хода ихх, ток короткого замыкания 1кз , оптимальное выходное напряжение иорЬ оптимальный выходной ток 1ор1
Измерения выполнялись в режиме облучения АМ0, исследуемые образцы были изготовлены по базовой технологии (30 образцов), базовой технологии с дополнительным подлегированием контактных областей (80 образцов), усовершенствованной двухэтапной технологии с формированием тянущего поля (17 образцов).
Предварительная обработка параметров заключалась в вычислении средних значений и среднеквадратических отклонений параметров Si - ФЭП. Результаты обработки партий Si -ФЭП, изготовленных по трем технологиям, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты обработки данных Si -ФЭП, изготовленных по трем технологиям
Технология Параметры Среднее значение, мВ Среднекв. отклонение, мВ Нормиров. среднекв. отклонение, %
Базовая Uxx, мВ 614,6 3,38 0,55
1кз, мА 141,4 2,31 1,64
Uopt, мВ 514,5 7,58 1,47
Iopt, мА 132,3 2,41 1,82
Базовая с подлегированием контактных областей Uxx, мВ 615,2 3,40 0,55
!кз, мА 146,3 2,23 1,52
Uopt, мВ 513,9 8,21 1,60
Iopt, мА 138,1 2,62 1,90
Двухэтапная с тянущим полем Uxx, мВ 616,8 2,08 0,34
1кз, мА 152,4 1,67 1,09
Uopt, мВ 513,1 6,11 1,19
Iopt, мА 144,6 1,84 1,27
Для описания экспериментальных нагрузочных ВАХ для образцов Si - ФЭП, изготовленных по трем технологиям, применялась ее аппроксимирующая модель, представленная соотношением (8), согласно [4] :
IH = 1кз(1 - Q{exp[U/(C2UXX)] -1}). (8)
Здесь
Ci = [1 - (Iopt/I^Kexpt-U 0pt/(C2Uxx)]}, (9)
C2 = [(U opt/ Uxx) - 1][ln(1 - Iopt/W]-1. (10)
Для вычисления коэффициентов C1, C2 использовались усредненные значения параметров I^, Uxx, Iopt, Uopt из табл. 1. Результаты вычислений представлены в табл. 2.
Таблица 2
Технология Сх С2
Базовая 4,733 10-8 0,0592905
Базовая с подлегированием контактных областей 2,61638 10-8 0,0572774
Двухэтапная с тянущим полем 2,52673-10-8 0,0571633
Как следует из приведенных данных в табл. 1, нормированное среднеквадратичное отклонение параметров ихх, 1кз, иорЬ 10р находится в пределах от 0,5 до 1,82%. Анализ табл. 1 показал, что введение операции подлегирования контактных областей обеспечивает увеличение средних значений ихх, 1кз, а также 1орЬ что подтверждает эффективность этой дополнительной операции. При этом среднеквадратичные отклонения этих параметров практически не отличаются от первой партии образцов, изготовленных по базовой технологии. Двухэтапная технология изготовления Si - ФЭП с формированием тянущего поля характеризуется не только более высокими выходными параметрами (средними значения-
ми ихх, 1к.з, 1ор1), но и более высокой их воспроизводимостью, что подтверждается существенно меньшими среднеквадратичными отклонениями указанных параметров в интервале от 0,33 до 1,27%.
На рис. 3 представлены экспериментальные нагрузочные ВАХ и результаты ее вычислений с помощью соотношения (7) для базовой технологии. При этом измеренные усредненные значения диодных параметров составили: Rп=0.16 Ом, Rш=300 Ом, 1,=3*10-10 А, а вычисленное значение фототока 1ф=0.1416 А.
I, А 0.15
0.14 0.12 0.11
0.0!) 0.075 0.06
Рис. 3. ВАХ для базовой технологии: 1- Rш=300 Ом, 2- Rш=100 Ом, 3- Rш=50 Ом
Здесь же построены расчетные нагрузочные ВАХ для Rш=100 Ом и Rш=50 Ом. Из этих зависимостей можно сделать вывод, что с уменьшением Rш до десятков Ом появляется наклон плоской части ВАХ. Следовательно, для диагностики Rш целесообразно ввести параметр Н = 1н(и хх / 2)/1кз. Этот параметр всегда меньше единицы и асимптотически к ней приближается с ростом Rш.
На рис.4 представлены экспериментальная нагрузочная ВАХ (сплошная линия) для базовой технологии с подлегированием контактов при следующих усредненных значениях диодных параметров: Rп = 0.12 Ом, Rш = 400 Ом, I, = 3*10-10 А, и фототока 1ф=0.1464 А.
I, А
0.14 0.12
0.1 0.05 0.06 0.04 0.02
° 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
П, В
Рис. 4. ВАХ для базовой технологии с подлегированием контактов: 1 - Rп=0.12 Ом, 2 - Rп=0.5 Ом, 3 - Rп=1 Ом
Результаты моделирования отражены на графиках 1, 2 и 3, которые построены для значений Rп=0.12; 0.5; 1 Ом соответственно. Как видим, с уменьшением параметра Rп
возрастает крутизна ската ВАХ. Для количественной оценки влияния Rп на форму ВАХ можно ввести параметр G = 1опт/ ихх - иопт , где 1опт, иопт - координаты точки перегиба графика.
На рис. 5 сплошной линией показана экспериментальная зависимость 1н=Дин) для двухэтапной технологии с формированием тянущего поля с диодными параметрами: Яп=0.14 Ом, = 400 Ом, = 3*10"10 А, и фототоком 1ф = 0.1525 А.
I, А 016
0.14 0.12 0.1
0.08 0.06 0.04 0.02
° 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.Î 0.6 0.7
U, В
Рис. 5. ВАХ для двухэтапной технологии с формированием тянущего поля: 1 - Is = 10-10 А, 2 - Rn= Is = 3 *10-10А, 3 - Rn= Is = 10-9А
Результаты моделирования отражены на графиках 1-3, которые построены для значений Is = 10-10 А; 3*10-10; 10-9 соответственно. Как видно из графиков, изменением параметра Is можно совместить скаты экспериментальной и расчетной ВАХ. Таким образом, реализуя программно процедуру совмещения, можно вычислить значение Is для образца ФП.
Выводы
Проведенные исследования влияния параметров R„ , R№ Is на выходную нагрузочную ВАХ кремниевых ФП четко определяют их вклад при формировании отдельных участков указанных характеристик. Как было показано, параметр Rш изменяет наклон плоской части, а параметр R„ - скорость убывания ската ВАХ. Изменение параметра Is приводит к параллельному смещению ската характеристики. Предложено влияние параметров Rn , R№ Is на огибающую ВАХ количественно оценивать с помощью дополнительных параметров H и G. Предложенные дополнительные параметры открывают возможность разработки алгоритма автоматизированного определения диодных характеристик Rn , R№ Is по огибающей экспериментальной ВАХ.
Научная новизна исследования заключается в трансформировании эквивалентной схемы ФП в укороченную и ее аналитическом описании с помощью рекуррентного уравнения [3] и уравнений перехода, что позволяет выполнять экспресс-анализ микропараметров экспериментальных образцов ФП.
Практическая значимость исследования определяется постоянно расширяющимися сегментами рынка практического использования кремниевых ФП в наземных условиях (в частности для энергообеспечения бытовой электроники малой и средней мощности, индивидуальных жилых комплексов, систем аварийной сигнализации и т.д.) и соответственно потребностью в оперативном (автоматизированном) контроле параметров образцов фотоприборов.
Список литературы: 1. Супрун Ж.М., Письменецкий В.А., Слипченко Н.И., Переяславец С.В. Исследо-ваение выходных характеристик кремниевых фотопреобразователей // Сб. тезисов по материалам 10-й международной конференции «Теория и техника передачи, приема и обработки информации». Харьков - Туапсе, 2004, С.353. 2. Супрун Ж.М., Слипченко Н.И., Письменецкий В.А. Исследование ВАХ диодных р-n структур варикапов // Радиоэлектроника и информатика. 2003.№2(23).С.37-40. 3. Супрун Ж.М., БезносМ. С., Чебернин А. Е. Анализ нагрузочных характеристик Si-фотопреобразователей //Сб.
4
v\\ Л » v
1 / \Л1 V
/ / \ \ * 1 t
2 у 1 \
3_у / V 1 1 1 1 1
\ 1 1 1 1 1 1
I 1 1 \ ï 1
тезисов по материалам VI Международной молодежной научно-практической конференции «Человек и космос». Днепропетровск, НЦАОМУ, 2004. С.403. А.ВасильевА.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.:Сов.радио, 1971. 248 с.
Поступила в редколлегию 26.02.2006 Слипченко Николай Иванович, канд. техн. наук, профессор, проректор по научной работе ХНУРЭ. Научные интересы: радиофизика и электроника. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (0572) 702 10-20.
Письменецкий Виктор Александрович, канд. техн. наук, профессор ХНУРЭ. Научные интересы: разработка устройств обработки сигналов. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702 13-43.
Яновская Наталия Николаевна, студентка ХНУРЭ. Научные интересы: исследование характеристик фоточувствительных структур. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702 13-43.
Фролов Андрей Витальевич, аспирант каф. МЭПУ ХНУРЭ. Научные интересы: исследование характеристик фоточувствительных структур. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.702-16-59.
УДК 004.4 С.П. КАШУБИН
ИКС-ТЕХНОЛОГИЯ (создание интегрированных компьютерных систем)
ИКС-технология представляет собой инструмент для синтеза систем программного обеспечения из стандартных компонентов. Технология может найти применение при разработке систем автоматизации производства, САПР, а также пакетов прикладных программ для научных и инженерных расчетов.
Введение
В Институте проблем машиностроения НАН Украины им. А.Н. Подгорного проектируется инструментарий под названием ИКС-технология, которая синтезирует различные ИКС -интегрированные компьютерные системы. Разработка таких инструментальных средств является актуальной задачей, так как эти инструменты существенно повышают производительность труда программистов.
Целью проекта является разработка и исследование ИКС-технологии, идея которой состоит в том, что из всех доступных задач той или иной области знаний выбираются необходимые задачи, на основе которых синтезируется ИКС в интерактивном режиме. Область знаний изучает свойства и отношения между объектами некоторой предметной области, а также рассматривает задачи и методы их решения. Требования к разрабатываемой системе таковы:
- ИКС-технология должна поддерживать несколько отраслей знаний.
- ИКС должны быть открытыми.
- Знания, относящиеся к одной отрасли, должны храниться в отдельной БД под названием Фонд задач. Система управления Фондом должна содержать функцию синтеза ИКС.
- Общая информация обо всех Фондах должна быть записана в систему МетаФонд, которая даст возможность создавать новые Фонды.
- Начальная версия системы ориентирована на среду СУБД Access-2 и предназначена для концептуальных исследований ИКС-технологии.
ИКС состоит из следующих компонентов: прикладных задач, обработчиков задач, базы данных, системы импорта/экспорта, пользовательского интерфейса. Прикладная задача -это компьютерная программа для вычислений. Головной модуль задачи состоит из необходимых описаний, а также из входных, выходных и расчетных модулей. Входные и выходные модули связывают прикладную задачу с базой данных, а расчетный модуль осуществляет основные вычисления. Описание охватывает все величины и модули. Расчетный модуль может быть написан на одном из процедурных языков типа Си, Паскаль, Фортран и т.д.
