Диоды специального назначения
диоды Шоттки
S диоды Шоттки сделаны из металла переход типа N-to-N, а не P-N полупроводниковый переход. Также известен как hot-carrier Диоды, диоды Шоттки характеризуются коротким временем переключения (малым временем обратного восстановления), низким прямым падением напряжения (обычно от 0,25 до 0,4 В для перехода металл-кремний) и низкой емкостью перехода.
Условное обозначение диода Шоттки показано на рисунке ниже.
Условное обозначение диода Шоттки.
Преимущества и недостатки диодов Шоттки
Прямое падение напряжения (VF), время обратного восстановления (trr) и емкость перехода (CJ) диодов Шоттки ближе к идеалу, чем у среднего «выпрямляющего» диода. Это делает их подходящими для высокочастотных приложений. К сожалению, диоды Шоттки обычно имеют более низкие значения прямого тока (IF) и обратного напряжения (VRRM и VDC), чем выпрямительные диоды, и поэтому не подходят для приложений, требующих значительного количества энергии. Хотя они используются в источниках питания импульсных стабилизаторов низкого напряжения.
Применение диодов Шоттки
Технология диодов Шоттки находит широкое применение в высокоскоростных компьютерных схемах, где быстрое время переключения соответствует высокой скорости, а низкое прямое падение напряжения означает меньшее рассеивание мощности при проведении.
Источники питания импульсного стабилизатора, работающие на частоте 100 кГц, не могут использовать обычные кремниевые диоды в качестве выпрямителей из-за их низкой скорости переключения. Когда сигнал, подаваемый на диод, изменяется с прямого на обратное смещение, проводимость продолжается в течение короткого времени, в то время как носители уносятся из области обеднения. Проводимость прекращается только по истечении этого времени обратного времени восстановления . истек. Диоды Шоттки имеют более короткое время обратного восстановления.
Независимо от скорости переключения прямое падение напряжения на кремниевых диодах на 0,7 В приводит к снижению эффективности источников питания с низким напряжением. Это не проблема, скажем, при питании 10 В. При питании 1 В падение 0,7 В составляет значительную часть выходной мощности. Одним из решений является использование силового диода Шоттки с меньшим прямым падением.
туннельные диоды
Туннельные диоды использовать странное квантовое явление, называемое резонансным туннелированием для обеспечения характеристик прямого смещения с отрицательным сопротивлением. Когда на туннельный диод подается небольшое прямое смещение, он начинает проводить ток. (Рисунок ниже (b)) По мере увеличения напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого пиковым током . (IP). Если напряжение увеличивается еще немного, ток фактически начинает уменьшаться . пока не достигнет нижней точки, называемой течением долины (IV). Если напряжение еще больше увеличивается, ток снова начинает увеличиваться, на этот раз не снижаясь в другую «долину». Схематический символ туннельного диода показан на рисунке (а) ниже.
Туннельный диод (a) Условное обозначение. (б) График зависимости тока от напряжения (в) Осциллятор.
Прямые напряжения, необходимые для управления туннельным диодом до его пикового и минимального токов, известны как пиковое напряжение (VP) и минимальное напряжение (VV), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается при увеличении приложенного напряжения (между VP и VV по горизонтальной шкале), называется областью отрицательного сопротивления . .
Туннельные диоды, также известные как диоды Эсаки в честь своего японского изобретателя Лео Эсаки, они способны очень быстро переключаться между пиковыми и минимальными уровнями тока, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее, чем даже диоды Шоттки. На характеристики туннельного диода также относительно не влияют изменения температуры.
Обратное напряжение пробоя в зависимости от уровня легирования. После Сзе [SGG]
Характеристики туннельных диодов
Туннельные диоды сильно легированы как в P-, так и в N-областях, что в 1000 раз превышает уровень выпрямителя. Это видно на рисунке выше. Стандартные диоды находятся слева, стабилитроны слева, а туннельные диоды - справа от пунктирной линии. Сильное легирование дает необычно тонкую обедненную область. Это создает необычно низкое напряжение обратного пробоя с высокой утечкой. Тонкая обедненная область вызывает высокую емкость. Чтобы преодолеть это, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной.
Прямая характеристика диода состоит из двух областей:нормальная прямая характеристика диода с экспоненциально возрастающим током сверх VF, 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si.
Между 0 В и VF находится дополнительный характеристический пик «отрицательного сопротивления». Это происходит из-за квантово-механического туннелирования, связанного с двойственной частицей-волновой природой электронов. Область обеднения достаточно тонкая по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, через которую они могут туннелировать. Им не нужно преодолевать нормальное прямое напряжение на диоде VF. Уровень энергии зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа. С повышением напряжения начинается туннелирование; уровни перекрываются; ток увеличивается до определенного предела. По мере дальнейшего увеличения тока уровни энергии перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения. Это часть кривой «отрицательного сопротивления».
Применение туннельных диодов
Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, поскольку они имеют относительно высокий ток утечки при обратном смещении. Следовательно, они находят применение только в специальных схемах, где имеет значение их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, в этих диодах поддерживается напряжение смещения где-то между пиковым и минимальным уровнями напряжения, всегда с прямым смещением полярности (положительный анод и отрицательный катод).
Пожалуй, наиболее распространенное применение туннельного диода - это простые схемы высокочастотного генератора, как показано на рисунке (c) выше, где он позволяет источнику постоянного напряжения вносить мощность в «резервуар» LC-цепи, причем диод проводит ток, когда напряжение поперек него достигает пикового (туннельного) уровня и эффективно изолирует при всех других напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых вольта с центром на участке отрицательного сопротивления характеристической кривой. Резонансный контур L-C может быть частью волновода для микроволнового режима. Возможны колебания до 5 ГГц.
История туннельных диодов
Когда-то туннельный диод был единственным доступным твердотельным СВЧ-усилителем. Туннельные диоды были популярны с 1960-х годов. Они были более долговечными, чем ламповые усилители бегущей волны, что важно для спутниковых передатчиков. Туннельные диоды также устойчивы к радиации из-за сильного легирования.
Сегодня различные транзисторы работают на сверхвысоких частотах. Даже туннельные диоды с малым сигналом дороги, и их трудно найти сегодня. Остается один производитель германиевых туннельных диодов, и ни одного производителя кремниевых устройств. Иногда их используют в военной технике, поскольку они нечувствительны к радиации и большим перепадам температуры.
Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные схемы КМОП. Считается, что они могут переключаться на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их по одному. Необходимо разработать пакетный процесс для кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его с обычными процессами CMOS. [SZL]
Туннельный диод Esaki не следует путать с резонансным туннельным диодом . CH 2, более сложной конструкции из сложных полупроводников. RTD - это более поздняя разработка, способная работать с более высокой скоростью.
Светодиоды
Принцип излучения лучистой энергии
Диоды, как и все полупроводниковые устройства, подчиняются принципам, описанным в квантовой физике. Один из этих принципов - излучение излучательной энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень.
Тот же принцип работает в неоновой лампе - характерное розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за специфических энергетических переходов его электронов посреди электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы обусловлен тем, что она неоновая газ внутри трубки, а не из-за определенного количества тока через трубку или напряжения между двумя электродами. Неоновый газ светится розовато-оранжевым светом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент имеет свою собственную «сигнатуру» излучения лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными квантованными уровнями энергии. Например, газообразный водород при ионизации светится красным светом; пары ртути светятся синим светом. Это то, что делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.
Излучение лучистой энергии в светодиодах
Электроны, протекающие через PN-переход, испытывают аналогичные переходы на энергетическом уровне и при этом излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и составляющими его элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из особых химических комбинаций, излучают лучистую энергию в спектре видимого света, когда электроны меняют уровни энергии. Проще говоря, эти стыки светятся при смещении вперед. Диод, специально спроектированный так, чтобы светиться как лампа, называется светоизлучающим диодом . , или светодиод .
Электролюминесценция
Кремниевые диоды с прямым смещением отдают тепло, когда электрон и дырки из областей N-типа и P-типа соответственно рекомбинируют в переходе. В светодиодах с прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области на рисунке (c) ниже дает фотоны. Этот процесс известен как электролюминесценция . . Чтобы испускать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем для кремниевого диода. Прямое падение напряжения на диоде может достигать нескольких вольт для некоторых цветных светодиодов.
Диоды, состоящие из комбинации элементов галлия, мышьяка и фосфора (так называемый арсенид-фосфид галлия ) светятся ярко-красным светом и являются одними из наиболее распространенных производимых светодиодов. Изменяя химический состав PN-перехода, можно получить разные цвета. Ранние поколения светодиодов были красными, зелеными, желтыми, оранжевыми и инфракрасными, более поздние поколения включали синий и ультрафиолетовый, причем фиолетовый был последним цветом, добавленным к выбору. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух или более светодиодов основного цвета (красного, зеленого и синего) в одном корпусе с использованием одной и той же оптической линзы. Это позволило использовать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), используя красный и зеленый (которые могут создавать желтый цвет), а затем светодиоды RGB (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь цветовой спектр.>
Схематический символ светодиодов
Схематический символ светодиода представляет собой диод правильной формы внутри круга с двумя маленькими стрелками, указывающими в сторону (обозначающими излучаемый свет), как показано на рисунке (а) ниже.
Светодиод, светоизлучающий диод:(а) схематический символ. (b) Плоская сторона и короткий вывод устройства соответствуют катоду, а также внутреннему устройству катода. (c) Поперечное сечение светодиодной матрицы.
Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, указывающих в сторону от устройства, является общим для схематических символов всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство светится активировано (это означает, что входящий свет стимулирует его), тогда у символа будут две маленькие стрелки, указывающие в сторону Это. Светодиоды могут воспринимать свет. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии света, очень похоже на солнечную батарею в небольшом масштабе. Это свойство можно успешно применять в различных светочувствительных схемах.
Работа светоизлучающего диода
Поскольку светодиоды состоят из разных химических веществ, чем кремниевые диоды, их прямое падение напряжения будет другим. Обычно светодиоды имеют гораздо большее прямое падение напряжения, чем выпрямительные диоды, от 1,6 до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типичный рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет около 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно подключенный «падающий» резистор, чтобы предотвратить повреждение светодиода полным напряжением источника. Рассмотрим пример схемы на рисунке (а) ниже с использованием источника 6 В.
Установка тока светодиода на 20 мА. (а) для источника 6 В, (б) для источника 24 В.
Когда на светодиоде падает 1,6 В, на резисторе будет 4,4 В. Подобрать резистор для тока светодиода 20 мА так же просто, как взять его падение напряжения (4,4 В) и разделить на ток цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R =E / I). Это дает нам значение 220 Ом.
Вычисляя рассеиваемую мощность для этого резистора 220 Ом, мы берем его падение напряжения и умножаем на его ток (P =IE), и получаем 88 мВт, что находится в пределах номинала резистора 1/8 Вт.
Более высокое напряжение батареи потребует понижающих резисторов большего номинала и, возможно, резисторов большей мощности. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для напряжения питания 24 В:
В этом случае резистор должен быть увеличен до 1,12 кОм, чтобы упасть 22,4 вольт при токе 20 мА, так что светодиод по-прежнему будет получать только 1,6 вольт. Это также способствует увеличению рассеиваемой мощности резистора:448 мВт, почти половина ватта мощности! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности на 1/8 Вт или даже на 1/4 Вт, при использовании здесь будет перегреваться.
Падение резисторов в цепях светодиодов
Значения падающего резистора для цепей светодиодов не обязательно должны быть точными. Предположим, мы должны были использовать резистор 1 кОм вместо резистора 1,12 кОм в схеме, показанной выше. В результате ток в цепи и падение напряжения на светодиодах будут немного выше, что приведет к более яркому свету светодиода и небольшому сокращению срока службы. Падение резистора со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току цепи, меньшему напряжению светодиода и более тусклому свету. Светодиоды довольно устойчивы к колебаниям подаваемой мощности, поэтому вам не нужно стремиться к совершенству в выборе параметров понижающего резистора.
Несколько светодиодов в цепи
Иногда требуется несколько светодиодов, например, при освещении. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничивающий ток резистор, как показано на рисунке (а) ниже, для обеспечения более равномерного деления токов. Однако более эффективно использовать светодиоды последовательно (рисунок (b) ниже с одним падающим резистором. По мере увеличения количества последовательно подключенных светодиодов значение последовательного резистора должно уменьшаться до определенного уровня для поддержания тока. Количество последовательно включенных светодиодов (Vf) не может превышать возможности источника питания. Можно использовать несколько последовательных цепочек, как показано на рисунке (c) ниже.
Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий в отдельных частях. Детали могут быть выбраны для согласования яркости для критических приложений.
Несколько светодиодов:(а) параллельно, (б) последовательно, (в) последовательно-параллельно
Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкие значения пикового обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды. Типичный светодиод может быть рассчитан только на 5 В в режиме обратного смещения. Поэтому при использовании переменного тока для питания светодиода подключите защитный выпрямительный диод встречно-параллельным светодиоду, чтобы предотвратить обратный пробой через каждый второй полупериод, как показано на рисунке (а) ниже.
Схема светодиода с переменным током
Противопараллельный диод на рисунке (а) выше можно заменить встречно-параллельным светодиодом. Получившаяся пара встречно-параллельных светодиодов загорается на чередующихся полупериодах синусоидальной волны переменного тока. Эта конфигурация потребляет 20 мА, равномерно распределяя его между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного тока. Из-за этого разделения каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое и с антипараллельной комбинацией светодиодов с выпрямителем. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требовалось 20 мА, значение резистора можно было уменьшить вдвое.
Типовые характеристики светодиодов
Прямое падение напряжения светодиодов обратно пропорционально длине волны (λ). По мере уменьшения длины волны от инфракрасного к видимому и ультрафиолетовому цветам Vf увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна для различных устройств от одного производителя, диапазон напряжений для светодиодов определенного цвета от разных производителей различается. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.
Оптические и электрические свойства светодиодов
Светодиоды против ламп накаливания
Как лампы, светодиоды во многом превосходят лампы накаливания.
Прежде всего, это эффективность:светодиоды излучают намного больше световой мощности на ватт потребляемой электроэнергии, чем лампы накаливания. Это значительное преимущество, если рассматриваемая схема питается от батареи, эффективность которой приводит к увеличению срока службы батареи.
Во-вторых, светодиоды намного надежнее и имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами:они работают при гораздо более низких температурах, чем лампы накаливания с раскаленной металлической нитью накаливания, и они подвержены поломкам от механических и термических ударов.
В-третьих, это высокая скорость включения и выключения светодиодов. Это преимущество также связано с «холодным» режимом работы светодиодов:им не нужно преодолевать тепловую инерцию при переключении из выключенного состояния во включенное или наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл. / Выкл.) Информации в виде световых импульсов, проводимых в пустом пространстве или по оптоволоконному кабелю, с очень высокой скоростью (миллионы импульсов в секунду).
Светодиоды превосходно подходят для монохроматических осветительных приборов, таких как светофоры и автомобильные задние фонари. Лампы накаливания в этом приложении ужасны, поскольку требуют фильтрации, снижая эффективность. Светодиоды не требуют фильтрации.
Недостатки светодиодов
Одним из основных недостатков использования светодиодов в качестве источников освещения является их монохроматическое (одноцветное) излучение. Никто не хочет читать книгу при свете красного, зеленого или синего светодиода. Однако при использовании в комбинации цвета светодиодов могут быть смешаны для более широкого спектра свечения. Новый источник света широкого спектра - белый светодиод. В то время как маленькие белые панели индикаторов доступны уже много лет, устройства уровня освещенности все еще находятся в разработке.
Эффективность и срок службы светодиодов и различных осветительных приборов
Эффективность освещения
Белый светодиод - это синий светодиод, возбуждающий люминофор, излучающий желтый свет. Синий плюс желтый соответствует белому свету. Природа люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтого и синего за счет эффективности. В таблице выше сравниваются светодиоды белой подсветки с ожидаемыми в будущем устройствами и другими обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах светоотдачи на ватт входной мощности. Если устройство мощностью 50 люмен / ватт можно улучшить до 100 люмен / ватт, белые светодиоды будут сравнимы по эффективности с компактными люминесцентными лампами.
История светодиодов
Светодиоды в целом были основным объектом исследований и разработок с 1960-х годов. Из-за этого непрактично охватить все геометрические формы, химические составы и характеристики, которые были созданы за десятилетия. Первые устройства были относительно тусклыми и потребляли умеренные токи. В последующих поколениях эффективность была повышена до такой степени, что опасно смотреть внимательно и прямо на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз, а для светодиодов требуется лишь незначительное увеличение падающего напряжения (Vf) и тока. Современные устройства высокой интенсивности достигают 180 люмен при использовании 0,7 А (82 люмена / ватт, холодный белый цвет серии Luxeon Rebel), и даже модели с более высокой интенсивностью могут использовать еще более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Другие разработки, такие как квантовые точки, являются предметом текущих исследований, поэтому ожидайте увидеть новые возможности для этих устройств в будущем
Лазерные диоды
Лазеры
лазерный диод является дальнейшим развитием обычного светодиода или светодиода. Сам термин «лазер» на самом деле является аббревиатурой, несмотря на то, что он часто пишется строчными буквами. «Лазер» означает L . ight A Усиление на S временный E миссия R и относится к другому странному квантовому процессу, при котором характерный свет, излучаемый электронами, падающими с высокого уровня на низкоуровневые энергетические состояния в материале, стимулирует другие электроны в веществе совершать аналогичные «прыжки», в результате чего световой поток синхронизируется. из материала. Эта синхронизация распространяется на фактическую фазу излучаемого света, так что все световые волны, излучаемые из «лазерного» материала, имеют не только одну и ту же частоту (цвет), но и одинаковую фазу, так что они усиливают друг друга и могут перемещаться очень быстро. плотно ограниченный недиспергирующий пучок. Вот почему лазерный свет остается так замечательно сфокусированным на больших расстояниях:каждая световая волна, исходящая от лазера, синхронизируется друг с другом.
(а) Белый свет многих длин волн. (б) Монохроматический светодиодный свет с одной длиной волны. (c) Фазово-когерентный лазерный луч.
Лампы накаливания излучают «белый» (смешанный по частоте или смешанный цвет) свет, как показано на рисунке (а) выше. Обычные светодиоды излучают монохроматический свет:одинаковой частоты (цвета), но разных фаз, что приводит к аналогичной дисперсии луча на рисунке (b). Лазерные светодиоды излучают когерентный свет :свет, который является как монохроматическим (одноцветным), так и однофазным (однофазным), что обеспечивает точное ограничение луча, как показано на рисунке (c).
Лазерный свет находит широкое применение в современном мире:во всем, от геодезии, где прямой и не рассеивающий световой луч очень полезен для точного наведения на измерительные маркеры, до считывания и записи оптических дисков, где только узкость сфокусированного лазера Луч может разрешать микроскопические «ямки» на поверхности диска, содержащие двоичные единицы и нули цифровой информации.
Некоторые лазерные диоды требуют специальных мощных «импульсных» цепей для передачи большого количества напряжения и тока короткими импульсами. Другие лазерные диоды могут работать непрерывно с меньшей мощностью. В непрерывном лазере действие лазера происходит только в определенном диапазоне диодного тока, что требует некоторой формы схемы регулятора тока. По мере старения лазерных диодов их требования к мощности могут изменяться (требуется больший ток для меньшей выходной мощности), но следует помнить, что маломощные лазерные диоды, такие как светодиоды, являются довольно долговечными устройствами с типичным сроком службы в десятки единиц. тысячи часов.
Фотодиоды
фотодиод представляет собой диод, оптимизированный для создания потока электронного тока в ответ на облучение ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом. Кремний чаще всего используется для изготовления фотодиодов; однако можно использовать арсенид германия и галлия. Переход, через который свет попадает в полупроводник, должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать большую часть света в активную область (область обеднения), где свет преобразуется в пары электронов-дырок.
На рисунке ниже мелкая диффузия P-типа в пластину N-типа создает PN-переход около поверхности пластины. Слой P-типа должен быть тонким, чтобы пропускать как можно больше света. Сильная диффузия N + на обратной стороне пластины контактирует с металлизацией. Верхняя металлизация может быть тонкой сеткой из металлических пальцев на верхней части пластины для больших ячеек. В небольших фотодиодах верхний контакт может быть единственным соединительным проводом, контактирующим с оголенной кремниевой крышкой P-типа.
Фотодиод:схематическое обозначение и поперечное сечение.
Как работают фотодиоды?
Интенсивность света, попадающего в верхнюю часть стопки фотодиодов, экспоненциально спадает в зависимости от глубины. Тонкий верхний слой P-типа позволяет большинству фотонов проходить в обедненную область, где образуются электронно-дырочные пары. Электрическое поле в обедненной области из-за встроенного потенциала диода заставляет электроны попадать в N-слой, а дырки - в P-слой.
Фактически электронно-дырочные пары могут быть образованы в любой из полупроводниковых областей. Однако те, которые образуются в области истощения, скорее всего, будут разделены на соответствующие N- и P-области. Многие электронно-дырочные пары, образующиеся в P- и N-областях, рекомбинируют. Лишь немногие делают это в области истощения. Таким образом, несколько электронно-дырочных пар в N- и P-областях и большинство в обедненной области вносят вклад в фототок . , это ток, возникающий в результате падения света на фотодиод.
Работа фотодиода
Может наблюдаться напряжение на фотодиоде. Работа в этой фотоэлектрической (PV) режим не является линейным в большом динамическом диапазоне, хотя он чувствителен и имеет низкий уровень шума на частотах менее 100 кГц. Часто предпочтительным режимом работы является фототок (ПК) . режим, потому что ток линейно пропорционален световому потоку в течение нескольких десятилетий интенсивности, и может быть достигнута более высокая частотная характеристика. Режим ПК достигается с обратным смещением или нулевым смещением на фотодиоде. Усилитель тока (трансимпедансный усилитель) следует использовать с фотодиодом в режиме ПК. Линейность и режим ПК достигаются до тех пор, пока диод не смещен в прямом направлении.
Фотодиоды часто требуют высокоскоростной работы, а не солнечных элементов. Скорость - это функция емкости диода, которую можно минимизировать, уменьшив площадь ячейки. Таким образом, датчик для высокоскоростной оптоволоконной линии связи будет использовать площадь не больше, чем необходимо, скажем, 1 мм2. Емкость также можно уменьшить, увеличивая толщину обедненной области в процессе производства или увеличивая обратное смещение на диоде.
Различные типы PIN-диодов
PIN-диод p-i-n диод или PIN-диод представляет собой фотодиод с внутренним слоем между P- и N-областями, как показано на рисунке ниже. P - Я ntrinsic- N Структура увеличивает расстояние между проводящими слоями P и N, уменьшая емкость, увеличивая скорость. Объем светочувствительной области также увеличивается, повышая эффективность преобразования. Полоса пропускания может увеличиваться до 10 ГГц. Фотодиоды с PIN-кодом являются предпочтительными из-за высокой чувствительности и высокой скорости при умеренной стоимости.
Фотодиод с PIN-кодом:внутренняя область увеличивает толщину обедненной области.
Лавинный фотодиод: лавинный фотодиод (APD) спроектированный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоэлектронному умножителю. Обратное смещение может составлять от 10 вольт до почти 2000 В. Высокий уровень обратного смещения ускоряет созданные фотонами электронно-дырочные пары во внутренней области до достаточно высокой скорости, чтобы освободить дополнительные носители от столкновений с кристаллической решеткой. Таким образом, получается много электронов на фотон. Мотивация для APD состоит в том, чтобы добиться усиления внутри фотодиода для преодоления шума во внешних усилителях. В некоторой степени это работает. Однако APD создает собственный шум. На высокой скорости APD превосходит комбинацию усилителей с PIN-диодами, но не для низкоскоростных приложений. APD дороги, примерно столько же, сколько фотоэлектронный умножитель. Таким образом, они могут конкурировать только с фотодиодами с PIN-кодом для нишевых приложений. Одно из таких приложений - счет одиночных фотонов применительно к ядерной физике.
Солнечные элементы
Фотодиод, оптимизированный для эффективной подачи энергии на нагрузку, - это солнечный элемент . . Он работает в фотоэлектрическом режиме (PV), потому что он смещен в прямом направлении напряжением, возникающим на сопротивлении нагрузки.
Монокристаллические солнечные элементы
Монокристаллические солнечные элементы производятся по технологии, аналогичной обработке полупроводников. Это включает выращивание монокристаллической були из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не такой высокой чистоты, как для полупроводников. Були распиливают алмазной пилой или проволочной пилой на вафли. Концы були должны быть выброшены или переработаны, а силикон теряется при пропиле пилы. Поскольку современные ячейки почти квадратные, кремний теряется при возведении були в квадрат. Клетки можно протравить для придания текстуры (придания шероховатости) поверхности, чтобы помочь улавливать свет внутри клетки. При производстве квадратных пластин 10 или 15 см теряется значительная часть кремния. В наши дни (2007 г.) производители солнечных элементов обычно закупают пластины на этом этапе у поставщика полупроводниковой промышленности.
Компоненты солнечных батарей
Пластины P-типа загружаются встык в лодочки из плавленого кварца, открывая только внешнюю поверхность для легирующей примеси N-типа в диффузионной печи. В процессе диффузии наверху ячейки образуется тонкий слой n-типа. Распространение также сокращает края ячейки спереди назад. Чтобы раскоротить клетку, необходимо удалить периферию путем плазменного травления. Серебряная или алюминиевая паста нанесена на заднюю часть ячейки, а серебряная сетка - на передней. Они спекаются в печи для обеспечения хорошего электрического контакта. (Рисунок ниже)
Ячейки соединены последовательно металлическими лентами. Для зарядки 12-вольтовых батарей 36 ячеек с напряжением примерно 0,5 В ламинируются в вакууме между стеклом и металлической задней панелью из полимера. Стекло может иметь текстурированную поверхность для улавливания света.
Silicon Solar cell
The ultimate commercial high efficiency (21.5%) single crystal silicon solar cells have all contacts on the back of the cell. The active area of the cell is increased by moving the top (-) contact conductors to the back of the cell. The top (-) contacts are normally made to the N-type silicon on top of the cell. In Figure below the (-) contacts are made to N + diffusions on the bottom interleaved with (+) contacts. The top surface is textured to aid in trapping light within the cell.. [VSW]
High efficiency solar cell with all contacts on the back. Adapted from Figure 1 [VSW]
Different kinds of Solar Cells
Multi-crystalline silicon cells start out as molten silicon cast into a rectangular mold. As the silicon cools, it crystallizes into a few large (mm to cm sized) randomly oriented crystals instead of a single one. The remainder of the process is the same as for single crystal cells. The finished cells show lines dividing the individual crystals, as if the cells were cracked. The high efficiency is not quite as high as single crystal cells due to losses at crystal grain boundaries. The cell surface cannot be roughened by etching due to the random orientation of the crystals. However, an anti-reflective coating improves efficiency. These cells are competitive for all but space applications.
Three layer cell :The highest efficiency solar cell is a stack of three cells tuned to absorb different portions of the solar spectrum. Though three cells can be stacked atop one another, a monolithic single crystal structure of 20 semiconductor layers is more compact. At 32 % efficiency, it is now (2007) favored over silicon for space application. The high cost prevents it from finding many earth bound applications other than concentrators based on lenses or mirrors.
Intensive research has recently produced a version enhanced for terrestrial concentrators at 400 - 1000 suns and 40.7% efficiency. This requires either a big inexpensive Fresnel lens or reflector and a small area of the expensive semiconductor. This combination is thought to be competitive with inexpensive silicon cells for solar power plants. [RRK] [LZy]
Creation of Three Layer Solar Cells
Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) deposits the layers atop a P-type germanium substrate. The top layers of N and P-type gallium indium phosphide (GaInP) having a band gap of 1.85 eV, absorbs ultraviolet and visible light. These wavelengths have enough energy to exceed the band gap.
Longer wavelengths (lower energy) do not have enough energy to create electron-hole pairs, and pass on through to the next layer. A gallium arsenide layers having a band gap of 1.42 eV, absorbs near infrared light.
Finally the germanium layer and substrate absorb far infrared. The series of three cells produce a voltage which is the sum of the voltages of the three cells. The voltage developed by each material is 0.4 V less than the band gap energy listed in the table below. For example, for GaInP:1.8 eV/e - 0.4 V =1.4 V. For all three the voltage is 1.4 V + 1.0 V + 0.3 V =2.7 V. [BRB]
High efficiency triple layer solar cell.
Crystalline solar cell arrays have a long usable life. Many arrays are guaranteed for 25 years, and believed to be good for 40 years. They do not suffer initial degradation compared with amorphous silicon.
Both single and multicrystalline solar cells are based on silicon wafers. The silicon is both the substrate and the active device layers. Much silicon is consumed. This kind of cell has been around for decades, and takes approximately 86% of the solar electric market. For further information about crystalline solar cells see Honsberg. [CHS]
Amorphous silicon thin film solar cells use tiny amounts of the active raw material, silicon. Approximately half the cost of conventional crystalline solar cells is the solar cell grade silicon. The thin film deposition process reduces this cost.
The downside is that efficiency is about half that of conventional crystalline cells. Moreover, efficiency degrades by 15-35% upon exposure to sunlight. A 7% efficient cell soon ages to 5% efficiency. Thin film amorphous silicon cells work better than crystalline cells in dim light. They are put to good use in solar powered calculators.
Non-silicon based solar cells make up about 7% of the market. These are thin-film polycrystalline products. Various compound semiconductors are the subject of research and development. Some non-silicon products are in production. Generally, the efficiency is better than amorphous silicon, but not nearly as good as crystalline silicon.
Cadmium telluride as a polycrystalline thin film on metal or glass can have a higher efficiency than amorphous silicon thin films. If deposited on metal, that layer is the negative contact to the cadmium telluride thin film. The transparent P-type cadmium sulfide atop the cadmium telluride serves as a buffer layer. The positive top contact is transparent, electrically conductive fluorine doped tin oxide. These layers may be laid down on a sacrificial foil in place of the glass in the process in the following pargraph. The sacrificial foil is removed after the cell is mounted to a permanent substrate.
Cadmium telluride solar cell on glass or metal.
Creating Cadmium telluride Solar Cell
A process for depositing cadmium telluride on glass begins with the deposition of N-type transparent, electrically conducive, tin oxide on a glass substrate. The next layer is P-type cadmium telluride; though, N-type or intrinsic may be used. These two layers constitute the NP junction. A P + (heavy P-type) layer of lead telluride aids in establishing a low resistance contact. A metal layer makes the final contact to the lead telluride. These layers may be laid down by vacuum deposition, chemical vapor deposition (CVD), screen printing, electrodeposition, or atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) in helium. [KWM]
A variation of cadmium telluride is mercury cadmium telluride. Having lower bulk resistance and lower contact resistance improves efficiency over cadmium telluride.
Cadmium Indium Gallium diSelenide solar cell (CIGS)
Cadmium Indium Gallium diSelenide:A most promising thin film solar cell at this time (2007) is manufactured on a ten inch wide roll of flexible polyimide– Cadmium Indium Gallium diSelenide (CIGS). It has a spectacular efficiency of 10%. Though, commercial grade crystalline silicon cells surpassed this decades ago, CIGS should be cost competitive. The deposition processes are at a low enough temperature to use a polyimide polymer as a substrate instead of metal or glass. (Figure above) The CIGS is manufactured in a roll to roll process, which should drive down costs. GIGS cells may also be produced by an inherently low cost electrochemical process. [EET]
ОБЗОР:
- Most solar cells are silicon single crystal or multicrystal because of their good efficiency and moderate cost.
- Less efficient thin films of various amorphous or polycrystalline materials comprise the rest of the market.
- Table below compares selected solar cells.
Solar cell properties
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:
- Design Project:Telegraph System Worksheet
- Optoelectronic Worksheet
- Sources of Electricity Worksheet
- Таблица специальных диодов
Промышленные технологии