КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ

ЛУКОМСЬКИЙ Дмитро Васильович

УДК 623.544

МЕТОДИКА КЕРУВАННЯ ПАРАМЕТРАМИ

ТВЕРДОТІЛЬНИХ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ

ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ ОЗБРОЄННЯ, ЩО НЕОБСЛУГОВУЮТЬСЯ

Спеціальність 20.02.14 – Озброєння і військова техніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Військовому інституті Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Міністерство оборони України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Лєнков Сергій Васильович,

Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, начальник Науково-дослідного центру.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Жердєв Микола Костянтинович, Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, професор кафедри бойового застосування і експлуатації (радіоелектронного озброєння);

доктор фізико-математичних наук, професор Горбань Анатолій Петрович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу фізико-технічних основ напівпровідникової фотоенергетики.

Провідна установа -

Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Міністерство оборони України, м. Київ.

Захист відбудеться 27.10.  р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .001.40 Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, Київ-680, просп. Глушкова, 2, корп. 8

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська 58, зал 12.

Автореферат розіслано 25.09.  р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ПАШКОВ С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для забезпечення обороноздатності держави в військах Збройних Сил (ЗС) України, Прикордонних військах та спеціальних підрозділах широко використовується радіоелектронна апаратура та засоби озброєння, які не передбачають проведення періодичного технічного обслуговування. До них відносяться апаратура спеціального призначення, радіомаяки та інші засоби озброєння, що довгий час знаходяться у режимі очікування.

Для функціонування елементної бази сучасних та перспективних радіоелектронних засобів озброєння (РЕЗО) необхідні надійні та довговічні джерела енергозабезпечення. Серед основних напрямків застосування систем енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються, можливо виділити наступні: енергозабезпечення віддалених об’єктів та апаратури, що працює в автономному режимі; основне та резервне енергозабезпечення радіо- та телекомунікаційних, навігаційних систем воєнного призначення; резервне живлення електрообладнання військової техніки; енергозабезпечення космічних апаратів, перспективних засобів озброєння та інше. Однак для деяких задач традиційні рішення є малоефективними, тому у випадку необхідності забезпечення безперервної боєздатності на протязі 30-35 років особлива увага приділяється альтернативним системам енергозабезпечення, серед яких одними з найбільш доступних та довговічних, а також енергетично збалансованих є фотоелектричні перетворювачі (ФЕП).

Найбільше розповсюдження отримали твердотільні кремнієві ФЕП, спектральна характеристика яких добре узгоджена зі спектральною характеристикою сонячного випромінення. Твердотільні ФЕП дозволяють безпосередньо отримувати електричну енергію з практично сталою потужністю при низьких експлуатаційних витратах. Тим не менш, їх широке впровадження для енергозабезпечення засобів озброєння стримується недостатньою надійністю та ефективністю більшості вітчизняних ФЕП. Таким чином, виникло протиріччя між високими вимогами, які виставляються до фотоелектричних джерел енергозабезпечення, та труднощами в їх виконанні.

На сьогоднішній день ряд зарубіжних компаній із держав колишнього СРСР, Європи, Америки та Японії розробили та пропонують кремнієві ФЕП, які по електричним параметрам та надійності є більш привабливими, ніж вітчизняні зразки. Такі вироби теоретично могли б використовуватися для енергозабезпечення РЕЗО, але велика вірогідність впровадження в їх елементну базу маяків та „закладок” різного типу не дозволяє їхнє використання в вітчизняних засобах озброєння.

Усе вищенаведене визначило необхідність та актуальність подальших наукових досліджень в даній галузі та поставило актуальну наукову задачу, сутністю якої є забезпечення можливості керування параметрами твердотільних ФЕП для енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються. В роботі пропонується нова методика, яка дозволяє вирішити дану задачу, що є важливим для ефективної експлуатації РЕЗО у ЗС України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно з планом наукової роботи "Методика керування параметрами твердотільних фотоелектричних перетворювачів для енергозабезпечення радіоелектронних засобів озброєння, що необслуговуються", шифр "Енергія" (особисто автором розроблена узагальнена методика керування параметрами твердотільних ФЕП) та міжфакультетної науково-дослідної роботи "06БФ018-01", розділ "Розвиток" (особисто автором розроблена нова модель комплексного показника якості твердотільних ФЕП). Дослідницька діяльність проводилася автором також в рамках проекту НАТО №971829 "Наука ради миру. Кремнієві технології" (особисто автором розроблений спосіб формування шарів пористого кремнію для монокристалічних кремнієвих ФЕП).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка технічних рішень по підвищенню довговічності та безвідмовності радіоелектронних засобів озброєння, що необслуговуються, за рахунок покращення якості та надійності твердотільних фотоелектричних перетворювачів.

Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

1. Аналіз альтернативних методів отримання електричної енергії, а також існуючих конструкцій, технологій виготовлення та матеріалів твердотільних ФЕП.

2. Дослідження процесів створення і впливу дефектів на показники надійності твердотільних ФЕП, аналіз впливу фізико-технічних факторів на якість, надійність та ефективність ФЕП.

3. Математичне моделювання впливу технологічного процесу на параметри якості ФЕП.

4. Розробка фізичних моделей та методів прискорення розвитку прихованих та потенційних дефектів ФЕП.

5. Розробка математичних моделей керування параметрами склокерамічних композиційних матеріалів (СКМ).

6. Визначення комплексного показника якості твердотільних ФЕП, розробка алгоритму та методик керування технологічним процесом виготовлення твердотільних ФЕП на підставі аналізу комплексного показника якості.

7. Розробка методик керування технологічним процесом виготовлення твердотільних ФЕП.

8. Розробка методик керування параметрами СКМ для покращення їх механічних, теплових характеристик та захисту систем енергозабезпечення РЕЗО від впливу зовнішньої середи.

9. Виготовлення дослідних зразків та форсовані випробування кремнієвих ФЕП.

Об’єкт дослідження – твердотільні ФЕП для енергозабезпечення радіоелектронних засобів озброєння, що необслуговуються.

Предмет дослідження – методи, методики та технології керування параметрами твердотільних ФЕП в процесі їх проектування та виготовлення.

Методи дослідження: теорії подоби – для розробки методів прискорення розвитку прихованих та потенційних дефектів твердотільних ФЕП; теорії ймовірності і математичної статистики – для розробки математичних моделей керування технологічними процесами виготовлення ФЕП.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше отримані математичні моделі керування технологічними процесами виготовлення твердотільних ФЕП. Новизна моделей керування технологічними процесами полягає в використанні часткових інформативних параметрів якості. Аналіз моделей дозволяє знизити дефектність, а відповідно – підвищувати довговічність та безвідмовність ФЕП.

2. Вперше отримана математична модель комплексного показника якості твердотільних ФЕП. Новизна вперше розробленої моделі полягає в урахуванні відносних відхилень значень часткових інформативних параметрів по поверхні ФЕП. Це дозволяє оцінити рівень якості твердотільних ФЕП, локалізувати приховані та потенційні дефекти, а також проводити порівняльні дослідження якості та надійності твердотільних ФЕП в процесі їх виготовлення.

3. Вперше запропонована узагальнена методика керування параметрами твердотільних ФЕП для систем енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються. Новизна цієї методики полягає в узагальнені як окремих раніш відомих методик, так і розроблених нових моделей та методик на їх основі. Узагальнена методика дозволяє розробити рекомендації по підвищенню якості та надійності твердотільних фотоелектричних перетворювачів для підвищення довговічності та безвідмовності РЕЗО, що необслуговуються.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені математичні моделі дозволяють обґрунтувати рекомендації, розробити технічні рішення та методики, направлені на удосконалення твердотільних ФЕП та підвищення якості та надійності РЕЗО, що необслуговуються. Фактичний матеріал та теоретичні висновки даної роботи можуть бути використані при подальшій розробці нових та удосконаленні існуючих конструкцій твердотільних ФЕП для систем енергозабезпечення РЕЗО в частинах і підрозділах радіотехнічних військ Повітряних Сил, військ Повітряної Оборони, зв’язку, а також у Військово-Морських Силах ЗС України. Окремі положення досліджень використані при розробці технології виготовлення монокристалічних кремнієвих ФЕП наземного призначення в ВАТ „Квазар”, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Зі спільних публікацій особисто здобувачеві належать наступні результати: в [1, 2] – дані рекомендації по вибору напівпровідникових матеріалів; в [4] – дані рекомендації по зменшенню оптичних втрат енергії в твердотільних ФЕП; в [5] – отримані залежності характеристик ФЕП від терміну травлення пластин в плазмо-хімічному реакторі; в [6] – розроблені моделі впливу технологічного процесу формування антивідбиваючих покриттів на параметри ФЕП; в [7] – проаналізовано вплив дефектів на параметри ФЕП; в [8] – на прикладі параметру теплопровідності показано можливість використання запропонованих моделей керування властивостями композиційних матеріалів; в [9, ] – проведені розрахунки параметрів трьохкомпонентної склокераміки; в [11] – розроблена нова модель комплексного показника якості твердотільних ФЕП; [12] – запропонована методика прискорення розвитку прихованих та потенційних дефектів ФЕП; в [15] – запропонована методика та дані рекомендації по зменшенню втрат енергії в твердотільних ФЕП. Ідеї співавторів в дисертаційному досліджені не використовувались.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації оприлюднено на наукових, науково-практичних та науково-технічних конференціях: міжнародній науково-технічній конференції „Авіа-2000” (м. Київ, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції „Авіа-2001” (м. Київ, 2001 р.), міжнародній науково-технічній конференції „Політ-2001” (м. Київ, 2001 р.), науковій конференції „Науково-теоретичні проблеми створення та використання авіаційних та космічних систем” (м. Київ, 2001 р.), ІІІ міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні інформаційні і електронні технології” (м. Одеса, 2002 р.), V міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні інформаційні і електронні технології” (м. Одеса, 2004 р.), VІ міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні інформаційні і електронні технології” (м. Одеса, 2005 р.), І всеукраїнській науково-практичній конференції „Військова наука та освіта: сучасність та майбутнє” (м. Київ, 2005 р.).

Публікації. Основні наукові результати дисертації опубліковані в монографії “Новые лазерные методы, средства и технологии”, 2002 р., 14 наукових статтях (із них 3 без співавторів) у фахових виданнях, 3 тезах доповідей на науково-практичних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг становить 173 сторінки машинописного тексту, з яких 15 сторінок займає список використаних джерел, що містить 149 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, розкрита сутність і стан наукової задачі, необхідність проведення дослідження, сформульовані мета і задача дослідження. Викладені підстави та вихідні дані для розробки методики.

Перший розділ присвячений результатам аналізу фотоелектричних перетворювачів для енергозабезпечення РЕЗО, який диктує необхідність досліджень в наступних напрямках: оптимізація параметрів та підвищення ефективності фотоперетворення існуючих ФЕП; зменшення ступеня деградації, підвищення надійності та терміну експлуатації ФЕП; використання нових матеріалів.

Розглянуті теоретичні аспекти ідеальної ефективності фотоперетворення, проведений аналіз конструктивно-технологічних особливостей і методів зниження втрат енергії в ФЕП. Одним з найважливіших завдань, що стоять при розробці нових чи вдосконаленні існуючих конструкцій ФЕП є зменшення впливу дефектів на характеристики приладу. Природа дефектів та їхня щільність залежать від способу та умов одержання напівпровідникового матеріалу, а також від особливостей виготовлення ФЕП. На основі аналізу дефектів, що є характерними для більшості конструкцій вітчизняних та імпортних ФЕП, визначені впливи цих дефектів та описані можливі механізми деградації. Прискорюючими факторами, що призводять до нестабільності та деградації твердотільних ФЕП, є зміни температури та електричних полів, а також механічні та радіаційні впливи.

У кінці розділу сформульовані основні завдання досліджень, вирішення яких дозволить створювати твердотільні ФЕП, що будуть здатні використовуватися для задач енергопостачання РЕЗО, керувати параметрами їх якості для досягнення підвищеної стійкості до зовнішніх впливів.

У другому розділі наведені нові моделі керування параметрами та технологічним циклом створення твердотільних ФЕП. Термін „керування” відповідає такому обґрунтованому впливу на конструкцію, технологію виготовлення чи умови використання ФЕП, яке базується на досліджених залежностях та розроблених математичних моделях і призводить до заданої зміни властивостей фотоперетворювачів. Також у розділі вирішена задача, що полягає у розробці моделей розвитку прихованих та потенційних дефектів ФЕП. Окремо розглянуті питання моделювання властивостей СКМ, що є перспективними у якості захисних матеріалів фотоелектричних модулів.

Керування параметрами твердотільних ФЕП вимагає встановлення зв’язків між параметрами технологічного процесу tj та інформативними параметрами якості ФЕП qi. При визначенні залежностей qj = f(tj) в першу чергу досліджувались такі параметри як m, JЗВ та UXX, що зумовлено їхньою високою інформативністю, а також досить простими та експресними методиками вимірів.

Було експериментально досліджено вплив параметрів технологічних операцій травлення пошкодженого шару кремнію, хімічного та плазмохімічного структурування поверхні, дифузії фосфору, плазмохімічної ізоляції емітеру, нанесення антивідбиваючих покриттів (АВП) і металізації на якість твердотільних ФЕП. На базі аналізу експериментальних залежностей qij) при tk запропоновані нові математичні поліноміальні моделі виду:

, (1)

де Аn – коефіцієнти поліноміального виразу. Крім того, при перевірці відомої формули для визначення товщини АВП нанесеного методом центрифугування встановлена її невідповідність результатам експерименту і запропонована нова модель залежності dАВП = f(, ):

, (2)

де dАВП – товщина плівки АВП; А0 та Аj – коефіцієнти поліноміального виразу; – ступень поліному; - частота обертання диску центрифуги; – в’язкість розчину. Модель застосовується для обчислення параметрів АВП на текстурованій поверхні, що й визначає її новизну.

Результати моделювання за допомогою поліноміальної моделі другої степені залежностей UXX від терміну розгонки фосфору ГЕТ, терміну дозрівання розчину АВП, терміну плазмохімічного травлення ПХТ та максимальної температури вжигання контактної металізації ТПІК при різних температурах дифузії ТДИФ, швидкостях обертання диску центрифуги , кількості пластин N, термінах вжигання металізації ПІК наведені в табл. 1. Очевидно, що через велику відносну похибку для залежності UXX = f(ПІК) треба застосовувати поліноми вищого ступеню. Моделювання експериментально отриманих залежностей m = f(tj), JЗВ = f(tj) за допомогою пакету Microcal Origin® v.6.10.52 підтвердило запропоновані поліноміальні моделі (1) та (2).

Таблиця 1

Результати моделювання залежності напруги холостого ходу

від параметрів технологічного процесу

Залежність | Умова | Коефіцієнти моделі | Відносна похибка, %

А0 | А1 | А2 | А0 | А1 | А2

UXX = f(ГЕТ) | ТДИФ = +800 оС | 525 | 1 | -410-3 | < 5 | 10 | 15

ТДИФ = +850 оС | 560 | 1 | -310-3 | < 5 | < 5 | < 5

ТДИФ = +900 оС | 585 | 1 | -210-3 | < 5 | 8 | 12

UXX = f(АВП) | = 2000 об/хв | 490 | 6 | -810-2 | < 5 | 10 | 13

= 4000 об/хв | 500 | 7 | -1010-2 | < 5 | 9 | 11

= 6000 об/хв | 530 | 6 | -910-2 | < 5 | 13 | 18

UXX = f(ПХТ) | N = 200 пл. | 515 | 25 | -1 | < 5 | 12 | 13

N = 400 пл. | 390 | 45 | -2 | 6 | 12 | 16

N = 600 пл. | 260 | 60 | -2 | 13 | 12 | 15

UXX = f(ПІК) | ПІК = 15 с | -53103 | 1,3102 | -810-2 | 18 | 18 | 18

ПІК = 20 с | -36103 | 0,9102 | -510-2 | 21 | 21 | 21

ПІК = 25 с | -23103 | 0,6102 | -410-2 | 8 | 8 | 8

Як показує аналіз механізмів деградацій твердотільних ФЕП найбільш вірогідним є дестабілізуючий вплив температури. Цей вплив у загальному випадку характеризується експоненційною залежністю, що є справедливою, коли в фізичній системі процеси відбуваються у „чистому вигляді”, тобто немає одночасного накладання інших процесів:

, (3)

де Ea – енергія активації процесу.

Зі зменшенням температури термоактиваційні процеси мають все менший вплив на працездатність приладів і починають впливати нові процеси, що раніше були непомітні (невідомі) на тлі відомих. Математичну модель цього положення можна отримати логарифмуючи (3) та визначаючи похідну від lg(v) по Т. Приймаючи, що Еа АТН, де А – коефіцієнт пропорційності, ТН – температура спостереження, отримаємо:

чи . (4)

Як видно з (4), температурна залежність деякого складного процесу в широкому діапазоні температур у першому наближенні може бути апроксимована ступеневим законом. Використовуючи цей підхід при аналізі фізичних процесів розвитку прихованих дефектів, можливо отримати температурну залежність довговічності. На базі проведених теоретичних узагальнень пропонується новий показник ідеальності технологічного процесу виготовлення твердотільних ФЕП:

, (5)

де Т – кут нахилу прямої, яка відповідає теоретичній залежності вибраного параметру від температури у напівлогарифмічному масштабі; Р – кут нахилу прямої, яка відповідає реальній залежності вибраного параметру від температури у напівлогарифмічному масштабі.

Адекватність показника (5) перевірена для різних типів ФЕП та запропоновано новий критерій якості технологічного процесу виготовлення кремнієвих ФЕП:

. (6)

Узагальнена схема прискорення розвитку дефектів твердотільних ФЕП наведена на рис. 1.

Збільшення робочої температури під впливом випромінювання Сонця призводить до деградації ФЕП і в цілому до зниження ефективності фотоперетворення. Для створення надійних систем енергопостачання РЕЗО необхідна реалізація комплексу численних фізичних і експлуатаційних характеристик ізолюючих матеріалів, до яких відносяться діелектричні, механічні, теплові характеристики, а також стійкість до впливу зовнішнього середовища. Для підвищення температурної стабільності параметрів систем енергозабезпечення перспективним є використання СКМ, які мають одночасно високу міцність і теплопровідність. Традиційні захисні покриття на основі картонів або полімерних плівок не можуть задовольнити усі вимоги, що висуваються для систем енергозабезпечення РЕЗО. Тому постало питання вибору нового матеріалу підкладки, який би мав необхідні характеристики, в тому числі необхідну довговічність. Досліджено різні матеріали, для виготовлення захисного покриття обрані СКМ, що характеризуються можливістю отримання заданої механічної міцності, теплопровідності та також діелектричних параметрів.

Рис. 1. Узагальнена схема прискорення розвитку прихованих та потенційних дефектів

твердотільних ФЕП

Основною складністю при виготовленні високоякісних СКМ є створення скляного компонента, що забезпечує необхідні властивості і параметри композита. Одним з варіантів досягнення зазначеної мети є використання логарифмічного закону змішування:

, (7)

де Р – параметр СКМ із кількістю компонентів n; Рi і Yi – параметр та об'ємна частка i-го компонента, відповідно. Для одержання альтернативного варіанта розрахунку параметрів СКМ в роботі проаналізована можливість використання відомого ступеневого закону:

, (8)

при i = 2 та n = 2, а також i = 2 та n = 3. Рівняння (7) та (8) раніше перевірялися тільки для деяких електричних параметрів СКМ. Крім того, ступеневі формули (8) мали малу точність та використовувались лише для двохкомпонентних композитів.

З метою корекції ступеневих формул, при якій результати розрахунку точніше відповідають експерименту проведені обчислення параметрів СКМ різного складу за допомогою формули (8) при i ? 2 та n від 2 до 100 (табл. 2). В усіх випадках зменшенню показника 1/n відповідало зменшення розрахованих параметрів P від максимально високих при n = 2 до величин, що практично збігаються з експериментальними значеннями РЕКС.

Таблиця 2

Результати розрахунку параметрів СКМ при різних значеннях 1/n

СКМ | СКМ-1 | СКМ-2 | СКМ-3 | СКМ-4

Р | 1011 | Т, Вт/м

град | 1011 | Т, Вт/м

град | 1011 | Т, Вт/м

град | 1011 | Т, Вт/м

град

1/n | 1/2 | 7,48 | 3,02 | 2,78 | 8,11 | 29,9 | 12,4 | 9,42 | 53,7 | 17,6 | 6,09 | 2110 | 7,41

1/3 | 7,46 | 1,15 | 2,09 | 8,04 | 22,2 | 9,84 | 9,40 | 32,7 | 14,7 | 5,74 | 795 | 4,87

1/10 | 7,43 | 0,30 | 1,50 | 7,94 | 12,9 | 6,75 | 9,37 | 7,27 | 10,6 | 5,21 | 24,9 | 2,15

1/100 | 7,43 | 0,21 | 1,36 | 7,90 | 10,3 | 6,93 | 9,35 | 2,75 | 9,20 | 5,00 | 1,85 | 1,47

РЕКС | 7,40 | 0,20 | 1,35 | 7,90 | 10,0 | 6,95 | 9,35 | 2,41 | 9,10 | 4,98 | 1,35 | 1,41

З отриманих результатів випливає, що збільшення параметра n призводить до зменшення відхилення результатів розрахунку. Необхідно відзначити, що при n параметри збігаються з розрахованими по логарифмічній формулі величинами й експериментальними даними.

У третьому розділі роботи описана модель нового комплексного показника якості твердотільних ФЕП.

Якість ФЕП та кількість дефектів звичайно визначають по характеру темнової вольт амперної характеристики (ВАХ), по інтегральному коефіцієнту поглинання сонячного випромінення та по інтегральному коефіцієнту власного теплового випромінення поверхні перетворювача. Також діагностика прихованих дефектів проводиться по сукупності інформативних параметрів. Спрощена класифікація методів діагностики твердотільних ФЕП наведена на рис. 2. При виборі інформативних параметрів введено наступні припущення: в якості інформативних вибираються параметри нелінійності та стабільності ВАХ; перевага надається параметрам, принцип вимірів яких дозволяє проводити локалізацію дефектів по поверхні досліджуваних структур.

Рис. 2. Спрощена класифікація електрофізичних методів діагностики якості і надійності ФЕП

Були вибрані наступні інформативні параметри якості:

а) Одним з найбільш ефективних параметрів, що характеризують стан напівпровідникових приладів, є так званий m-параметр, який характеризує ідеальність ВАХ p-n переходу:

, (9)

де q – заряд електрону; k – коефіцієнт Больцману; Т – температура; U – напруга; I – струм. Для ідеального p-n переходу при відсутності рекомбінації на поверхні та в об’ємі m ; при наявності рекомбінаційних ефектів 1 m < ; для струму поверхневих каналів 2 m < .

б) Аналіз темнової ВАХ при зворотному зміщенні дозволяє оцінити дефектність об’єму та поверхні напівпровідника. Присутність преципітатів призводить до згладжування зворотної гілки ВАХ та її відхиленню від ідеальної характеристики. Інформативним параметром, який описує дефектність ФЕП у цьому випадку виступає значення щільності зворотного струму JЗВ при заданому зміщенні UЗВ. При вимірах щільності зворотного струму ми оперували значенням JЗВ, яке визначається при сталому значенні зворотної напруги UЗВ = 5 В. Дослідження показали, що для ідеальних кремнієвих структур значення щільності зворотного струму JЗВ лежить в діапазоні від 10-2 до 1 мА/см2, а в дефектних областях - може досягати десятків мА/см2.

в) Ефективне отримання інформації про стан приладу можливе за допомогою такого інформативного параметра як напруга, що виникає при локальному опроміненні напівпровідникової структури. Значення цього параметру залежить від характеристик вихідного матеріалу, вибраної технології та особливостей технологічних процесів виготовлення ФЕП, і в режимі холостого ходу визначається за допомогою виразу:

, (10)

де IФ – фотострум; IО – зворотний струм насичення p-n переходу. Методи виміру параметра UXX також дозволяють проводити локалізацію дефектів по поверхні ФЕП.

Для розробки моделі нового комплексного показника якості твердотільних ФЕП використана відома модель узагальненого показника якості промислової продукції:

, (11)

де ki – ваговий коефіцієнт i-го параметру якості; qi – i-ий нормований параметр якості.

Подальший розвиток моделі Q показника полягає у введенні в (11) нормуючих коефіцієнтів та параметрів qj, які характеризують нерівномірність розподілу дефектів по поверхні ФЕП:

, (12)

де К – кількість інформативних параметрів; L – кількість параметрів якості, які характеризують нерівномірність розподілу дефектів по поверхні ФЕП; ki, kj – вагові коефіцієнти.

Додамо в (12) в якості інформативних параметрів qj, які характеризують нерівномірність розподілу дефектів по поверхні ФЕП, відносні відхилення між значеннями інформативних параметрів JЗВ та UXX, виміряними в центрі напівпровідникової пластини qi(Ц) та на її периферії qi(П):

, (13)

де M – кількість локальних місць вимірів інформативних параметрів qi по периферії ФЕП, qik(П) – k-те значення інформативного параметру, виміряного на периферії ФЕП.

Розглянемо приклад моделі комплексного показника якості для кремнієвих ФЕП. По-перше, виберемо в якості інформативних параметрів розглянуті вище m–параметр, JЗВ, а також нормований параметр , де UМАХ – максимально досяжне значення UХХ для заданого напівпровідника, а також JЗВ та UXX. Після цього підставимо в (12) числові значення, що є характерними для конкретного типу ФЕП, та отримаємо наступний вираз:

. (14)

Результати аналізу кремнієвих ФЕП з різними значеннями показника Q дозволили виділити наступні характерні групи: вироби з великою кількістю дефектів (Q = 0,5...1), типові імпортні промислові зразки (Q = 0,1...0,3), еталонні ФЕП з мінімальною дефектністю (Q 0,01).

Для визначення взаємозв’язку комплексного показника якості ФЕП з їх надійністю (довговічністю), а також для встановлення критерію якості та надійності кремнієвих ФЕП була виготовлена дослідна партія виробів з різними значеннями Q. Надійність оцінювалась виходячи з необхідності забезпечити їх зберігання та роботу не менше 30 років. Кожна група ФЕП послідовно проходила випробування на довговічність та безвідмовність, що вибирались виходячи із реально можливих умов експлуатації виробів з урахуванням вимог стандарту МЕК :2005 „Кристалічні кремнієві наземні фотоелектричні модулі – Випробування конструкції та визначення типу”.

Після завершення випробувань вимірювались основні характеристики та визначався показник Q для кожного ФЕП. Умовою здатності ФЕП виконувати свої функції приймалося зменшення генерованої перетворювачем електричної потужності РМ та показника Q не більше ніж на 10%:

РМ < 10%??Q < 10%, (15)

де , (16)

, (17)

а РМО та QО – значення РМ і Q до випробувань.

На базі виконаних досліджень введено новий критерій якості та надійності кремнієвих ФЕП:

Q < 0,24. (18)

Аналіз адекватності запропонованої моделі комплексного показника якості проводився шляхом прискорених випробувань виробів з різними початковими значеннями Q, які підтвердили зв’язок цього показника з електричними параметрами ФЕП та основними показниками надійності. Таким чином, запропонований показник Q може бути використаний як інформативний показник якості ФЕП, а умова (18) може бути прийнята критерієм якості та надійності кремнієвих ФЕП.

Четвертий розділ присвячений дослідженню отриманих моделей, розробці рекомендацій та нових методик керування параметрам твердотільних ФЕП. У розділі розглядається нова методика аналізу та керування параметрами твердотільних ФЕП за допомогою комплексного показника якості, детально розглянуті методики керування параметрами антивідбиваючого покриття, режимами формування тильного ізотипного переходу і режимами формування контактної металізації. Описані методики керування властивостями композиційних матеріалів, що застосовуються при виготовленні фотоелектричних модулів. Завершується розділ новою методикою керування параметрами твердотільних ФЕП, яка узагальнює існуючу наукову базу для досягнення головної мети дисертаційного дослідження – підвищення довговічності та безвідмовності РЕЗО, що необслуговуються, за рахунок підвищення якості та надійності твердотільних фотоелектричних перетворювачів.

У цілому діагностика рівня і характеру дефектності ФЕП заснована на аналізі інформативних параметрів якості та виконується за допомогою розглянутих методів (рис. 2). Запропонована автором методика базується на аналізі комплексного параметра якості твердотільних ФЕП (14) і може застосовуватися як для керування усім технологічним процесом виготовлення ФЕП, так і для корегування окремих технологічних операцій. Аналіз параметра Q дозволяє розробити гіпотези про можливі дефекти і керувати параметрами ФЕП на підставі експериментально визначених моделей qij). На основі розробленого алгоритму (рис. 3) запропоновані нові методики керування параметрами антивідбиваючого покриття, режимами формування ізотипного переходу на тильній поверхні та режимами формування контактної металізації.

Рис. 3. Алгоритм керування параметрами ФЕП

Розроблена нова методика керування параметрами ФЕП (рис. 4). За допомогою цієї методики проведено вдосконалення існуючого промислового технологічного процесу, що дозволило отримати ФЕП з коефіцієнтом корисної дії до 16,2%.

Розглянуті нові методики керування властивостями СКМ. Методики визначення параметрів скляного компонента, що забезпечує одержання композиційної склокераміки з заданими характеристиками, базуються на логарифмічному і ступеневому законах змішування. Наприклад, для трьохкомпонентного безпористого СКМ, що складається зі скла (с), компонента №2 і компонента №3 вираз для шуканого параметра скла РС у випадку логарифмічного закону змішування має вид:

, (19)

а для ступеневого закону змішування:

. (20)

Значення параметру РСКМ відповідає значенню, що задається для конкретного СКМ технічними умовами, а параметри Р2 та Р3 залежать від матеріалу компонентів №2 та №3, які обрані для розрахунків. Об’ємні долі вихідних компонентів Y2 та Y3 задаються з урахуванням можливості технологічного впровадження та необхідності отримання заданих властивостей СКМ, а об’ємна доля нової фази YC з урахуванням досвіду її експериментальної реалізації. Наведені рівняння дозволяють оцінити параметри скла, які необхідні для отримання СКМ з заданими параметрами, та обрати варіант СКМ для подальшої експериментальної перевірки, що дає економію часу та коштів при розробці нових матеріалів за рахунок заміни частини експериментальних проб, та відкриває перспективи для створення нових матеріалів.

Рис. 4. Структурна схема методики керування технологічним процесом виготовлення

твердотільних ФЕП

Узагальнюючи розглянуті в дисертаційному дослідженні методики та рекомендації, спрямовані на підвищення якості та довговічності твердотільних ФЕП, які використовуються для енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються, запропоновано нову узагальнену методику керування параметрами твердотільних фотоелектричних перетворювачів (рис. 5, темним кольором виділені елементи, що були удосконалені або повністю розроблені в ході досліджень).

Керування параметрами твердотільних ФЕП складається з наступних етапів: аналіз існуючих методів та методик керування параметрами ФЕП, вибір базового напівпровідникового матеріалу, вибір базової конструкції та технології, виготовлення дослідних зразків, аналіз даних про їх якість та надійність, прийняття рішення про керування параметрами ФЕП з наступним корегування їх конструкції та (чи) технології виготовлення, прийняття рішення про керування параметрами ФЕП у складі систем енергозабезпечення РЕЗО.

Рис. 5. Структурна схема узагальненої методики керування параметрами твердотільних ФЕП

для енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються

Узагальнена методика охоплює процес керування параметрами твердотільних ФЕП з моменту розробки їх конструкції та технології виготовлення до керування параметрами фотоперетворювачів у складі систем енергозабезпечення РЕЗО. З використанням даної методики було розроблено твердотільні ФЕП з ККД > 16%, що можуть зберігати значення своїх основних електрофізичних параметрів на заданому рівні не менше 30 років.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці узагальненої методики керування параметрами твердотільних фотоелектричних перетворювачів для енергозабезпечення радіоелектронних засобів озброєння, що необслуговуються, з використанням запропонованих автором моделей та методик.

Головні наукові та практичні результати:

1. Виконано комплексний аналіз механізмів та причин деградації властивостей твердотільних ФЕП. Причинами основних проявів деградації є початкові дефекти структури та домішки, а також дефекти конструкції ФЕП. Наслідком цього є зміна часу життя неосновних носіїв заряду та питомого опору напівпровідникових матеріалів, що призводить до зміни вольтамперних характеристик, збільшення зворотних струмів, появи пробою p-n переходу та інше, що в свою чергу призводить до деградації ФЕП та зменшення їхньої надійності. Проведений аналіз дозволяє обґрунтовано висувати вимоги до розробки нових та удосконалення існуючих типів ФЕП, що експлуатуються в сучасних системах енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються.

2. Вперше введений та розрахований для кремнієвих ФЕП комплексний показник якості, на підставі аналізу якого розроблена методика керування параметрами твердотільних ФЕП. Новизна запропонованого показника полягає в урахуванні відносних відхилень значень інформативних параметрів по площині, що дозволяє оцінювати рівень якості ФЕП, а також локалізувати приховані та потенційні дефекти. Запропонована методика дозволяє керувати технологічним процесом виготовлення твердотільних ФЕП з метою підвищення їх якості та надійності. Значним практичним досягненням є вибір раціональних праматерів технологічних процесів формування антивідбиваючого покриття, тильного ізотипного переходу та контактної металізації для кремнієвих ФЕП.

3. На основі запропонованих нових моделей керування властивостями композиційних матеріалів розроблені методики та видані рекомендації по покращенню механічних, теплових характеристик СКМ, а також підвищення стійкості параметрів систем енергозабезпечення до впливу зовнішнього середовища. Новизна методик полягає в узагальненні ступеневого закону змішування для СКМ з кількістю компонентів більше двох.

4. Вперше запропонована узагальнена методика керування параметрами твердотільних ФЕП для енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються. Відмінність розробленої методики від раніше відомих, призначених для рішення аналогічних задач, полягає в використанні запропонованих в роботі нових математичних моделей комплексного показника якості твердотільних ФЕП, моделей впливу технологічного процесу на інформативні параметри якості, а також моделей керування властивостями композиційних матеріалів для фотоелектричних систем енергозабезпечення РЕЗО, що необслуговуються. Методика дозволяє науково обґрунтувати рекомендації по підвищенню довговічності РЕЗО, що необслуговуються, за рахунок підвищення якості та надійності твердотільних ФЕП, що використовуються у складі систем основного чи резервного енергозабезпечення.

Отримані в роботі наукові та практичні результати визначають основні напрямки розробки нових та удосконалення існуючих конструкцій твердотільних ФЕП, що дозволяє підвищити довговічність РЕЗО, за рахунок підвищення якості та надійності твердотільних ФЕП.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Новые лазерные методы, средства и технологии / А.С. Гаркавенко, В.В. Зубарев, С.В. Ленков, Д.В. Лукомский, В.А. Мокрицкий. – Одесса: Астропринт, 2002. – 280 с.

2. Лєнков С.В., Зубарев В.В., Лукомський Д.В., Видолоб В.В. Методика дослідження оптичної неоднорідності напівпровідникових матеріалів, які використовуються для створення інфрачервоних лазерів // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. – 2006. – №13. – С. 63–65.

3. Лукомський Д.В. Вибір оптимального режиму вжигання металічних паст компанії ESL // Збірник наукових праць Одеського ордена Леніна інституту Сухопутних військ. – Одеса. – 2004. – №9. – С. 97–101.

4. Лєнков С.В., Лукомський Д.В., Ликов О.І., Зубарєв В.В. Підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів за допомогою текстурування їх поверхні // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. – Одеса. – 2004. – №2. – С. 58–62.

5. Полозов Б.П., Федорович О.А., Голотюк В.Н., Мариненко А.А., Лукомский Д.В. Влияние плазмохимического травления на структуру поверхности кремниевых пластин фотоэлектрических преобразователей // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2006 – №2. – С. –55.

6. Лукомський Д.В., Лєнков С.В., Лепіх Я.І., Мокрицький В.А., Монаков С.В. Дослідження впливу конструктивних дефектів на властивості кремнієвих фотоелектричних перетворювачів // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. – Одеса. – 2005. – №4. – С. 47–54.

7. Лєнков С.В., Зубарев В.В., Лукомський Д.В., Видолоб В.В. Дефекти кремнієвих фотоелектричних перетворювачів // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. – 2006. – №12. – С. 19–23.

8. Лєнков С.В., Лукомський Д.В., Шваб В.К. Математичні моделі керування властивостями композиційних матеріалів для фотоелектричних систем енергопостачання радіоелектронних засобів озброєння // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. – 2005. – №11. – С. 66–69.

9. Дмитрієв М.В., Зубарев В.В., Лєнков С.В., Лукомський Д.В., Огарь І.В. Модель керування властивостями і параметрами склокераміки, що використовуватиметься в авіаційній техніці // Вісник Національного авіаційного університету. – К. – 2001. – №3 (10). – С. 120–123.

10. Дмитриев М.В., Ленков С.В., Зубарев В.В., Лукомский Д.В. Управление параметрами стеклокерамики как одного из перспективных материалов авиационной техники // Вісник Київського міжнародного університету цивільної авіації. – К. – 2001. – №1 (8). – С. 63–66.

11. Лєнков С.В., Лукомський Д.В. Комплексний параметр якості та надійності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів // Збірник наукових праць ВІТІ НТУУ "КПІ". – К. – 2005. – №1. – С. 81–89.

12. Lukomskyy D.V., Lenkov S.V., Mokrizki V.A., Lepich Y.I. Technique of acceleration of solar cells latent and potential defects development // Photoelectronics. – 2006. – №15. – P. 43–47.

13. Лукомський Д.В. Керування параметрами фотоелектричних перетворювачів на підставі аналізу комплексного параметра якості і надійності // Збірник наукових праць Одеського ордена Леніна інституту Сухопутних військ. – Одеса. – 2006. – №11. – С. 141-144.

14. Лукомський Д.В. Методика керування параметрами фотоелектричних перетворювачів. Нанесення антивідбиваючих покриттів // Збірник наукових праць Військового Інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка – 2005. – №1. – С. –101.

15. Лєнков С.В., Лукомський Д.В., Терещенко В.І. Методика зменшення втрат енергії в кремнієвих фотоелектричних перетворювачах // Збірник наукових праць ВІТІ НТУУ "КПІ". – К. – 2005. – №2. – С. 67-72.

16. Лукомский Д.В., Ленков С.В., Зубарев В.В. Диагностика качества и надежности твердотельных фотоэлектрических преобразователей // Труды шестой международной научно–практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса. – 2005. – С. 294.

17. Лукомский Д.В., Авдеев А.Н., Ленков С.В. Управление технологическим процессом формирования антиотражающего покрытия фотоэлектрических преобразователей наземного применения // Труды пятой международной научно–практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса. – 2004. – С. 274.

18. Лукомский Д.В., Синицин В.С., Зубарев В.В. Снижение энергетических потерь в твердотельных фотоэлектрических преобразователях наземного применения // Труды пятой международной научно–практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса. – 2004. – С. 227.

АНОТАЦІЯ

Лукомський Д.В. Методика керування параметрами твердотільних фотоелектричних перетворювачів для енергозабезпечення радіоелектронних засобів озброєння, що необслуговуються. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.14 – Озброєння і військова техніка. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Військовий інститут. Київ, 2006.

Дисертація присвячена розвитку теорії і практики підвищення довговічності та безвідмовності радіоелектронних засобів озброєння (РЕЗО), що необслуговуються, на основі твердотільних фотоелектричних перетворювачів (ФЕП).

Вперше отримані математичні моделі керування технологічними процесами виготовлення твердотільних ФЕП. Аналіз моделей дозволяє зменшувати дефектність ФЕП та підвищувати їх якість.

Вперше отримана математична модель комплексного показника якості твердотільних ФЕП. Це дозволяє оцінити рівень якості твердотільних ФЕП, локалізувати приховані та потенційні дефекти, а також проводити порівняльні дослідження якості та надійності твердотільних ФЕП в процесі їх виготовлення.

Вперше запропонована узагальнена методика керування параметрами твердотільних ФЕП для