Diodes voor speciale doeleinden
Schottky-diodes
S chottky diodes zijn gemaakt van een metaal -naar-N-overgang in plaats van een PN-halfgeleiderovergang. Ook bekend als hot-carrier diodes, Schottky-diodes worden gekenmerkt door snelle schakeltijden (lage hersteltijd in omgekeerde richting), lage voorwaartse spanningsval (meestal 0,25 tot 0,4 volt voor een metaal-siliciumovergang) en een lage junctiecapaciteit.
Het schematische symbool voor een Schottky-diode wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Schottky-diode schematisch symbool.
Voor- en nadelen van Schottky-diodes
De voorwaartse spanningsval (VF), omgekeerde hersteltijd (trr) en junctiecapaciteit (CJ) van Schottky-diodes zijn dichter bij ideaal dan de gemiddelde "gelijkrichtende" diode. Dit maakt ze zeer geschikt voor toepassingen met hoge frequenties. Helaas hebben Schottky-diodes doorgaans een lagere voorwaartse stroom (IF) en sperspanning (VRRM en VDC) dan gelijkrichtdiodes en zijn ze dus ongeschikt voor toepassingen met aanzienlijke hoeveelheden stroom. Hoewel ze worden gebruikt in voedingen voor schakelende laagspanningsregelaars.
Toepassingen van Schottky-diodes
Schottky-diodetechnologie vindt brede toepassing in high-speed computercircuits, waar de snelle schakeltijd gelijk staat aan hoge snelheidscapaciteit, en de lage voorwaartse spanningsval gelijk staat aan minder vermogensdissipatie tijdens het geleiden.
Voedingen voor schakelende regelaars die op 100's kHz werken, kunnen vanwege hun lage schakelsnelheid geen conventionele siliciumdiodes als gelijkrichters gebruiken. Wanneer het signaal dat aan een diode wordt aangeboden, verandert van voorwaartse naar achterwaartse voorspanning, gaat de geleiding nog een korte tijd door, terwijl dragers uit het uitputtingsgebied worden geveegd. De geleiding stopt pas na deze tr omgekeerde hersteltijd is verlopen. Schottky-diodes hebben een kortere hersteltijd in omgekeerde richting.
Ongeacht de schakelsnelheid veroorzaakt de 0,7 V voorwaartse spanningsval van siliciumdiodes een slechte efficiëntie bij laagspanningsvoedingen. Bij bijvoorbeeld een 10 V-voeding is dit geen probleem. In een voeding van 1 V is de daling van 0,7 V een aanzienlijk deel van de output. Een oplossing is om een schottky-vermogensdiode te gebruiken die een lagere voorwaartse daling heeft.
Tunneldiodes
Tunneldiodes exploiteren van een vreemd kwantumfenomeen genaamd resonante tunneling om een negatieve weerstand voorwaartse bias-kenmerken te bieden. Wanneer een kleine voorwaartse voorspanning over een tunneldiode wordt aangelegd, begint deze stroom te geleiden. (Figuur hieronder (b)) Naarmate de spanning wordt verhoogd, neemt de stroom toe en bereikt deze een piekwaarde die de piekstroom wordt genoemd (IK P). Als de spanning iets meer wordt verhoogd, begint de stroom daadwerkelijk te afnemen totdat het een dieptepunt bereikt, de valleistroom (IV). Als de spanning nog verder wordt verhoogd, begint de stroom weer te stijgen, dit keer zonder af te nemen in een ander "dal". Het schematische symbool voor de tunneldiode getoond in figuur (a) hieronder.
Tunneldiode (a) Schematisch symbool. (b) Stroom versus spanning plot (c) Oscillator.
De voorwaartse spanningen die nodig zijn om een tunneldiode naar zijn piek- en dalstroom te sturen, staan bekend als respectievelijk piekspanning (VP) en dalspanning (VV). Het gebied in de grafiek waar de stroom afneemt terwijl de aangelegde spanning toeneemt (tussen VP en VV op de horizontale schaal) staat bekend als het gebied van negatieve weerstand .
Tunneldiodes, ook bekend als Esaki-diodes ter ere van hun Japanse uitvinder Leo Esaki, in staat zijn zeer snel over te schakelen tussen piek- en dalstroomniveaus, en veel sneller te "schakelen" tussen hoge en lage geleidingstoestanden dan zelfs Schottky-diodes. Tunneldiode-eigenschappen worden ook relatief onaangetast door temperatuurveranderingen.
Omgekeerde doorslagspanning versus dopingniveau. Na Sze [SGG]
Kenmerken van tunneldiodes
Tunneldiodes zijn zwaar gedoteerd in zowel de P- als de N-regio, 1000 keer het niveau in een gelijkrichter. Dit is te zien in bovenstaande figuur. Standaarddiodes bevinden zich uiterst links, zenerdiodes bijna links en tunneldiodes rechts van de stippellijn. De zware doping produceert een ongewoon dun uitputtingsgebied. Dit produceert een ongewoon lage doorslagspanning met hoge lekkage. Het dunne uitputtingsgebied veroorzaakt een hoge capaciteit. Om dit te verhelpen, moet het knooppuntgebied van de tunneldiode klein zijn.
De voorwaartse diodekarakteristiek bestaat uit twee gebieden:een normale voorwaartse diodekarakteristiek met stroom die exponentieel stijgt voorbij VF, 0,3 V voor Ge, 0,7 V voor Si.
Tussen 0 V en VF is een extra "negatieve weerstand" karakteristieke piek. Dit komt door kwantummechanische tunneling waarbij de dubbele deeltjesgolf-aard van elektronen betrokken is. Het uitputtingsgebied is dun genoeg in vergelijking met de equivalente golflengte van het elektron waar ze doorheen kunnen tunnelen. Ze hoeven de normale voorwaartse diodespanning VF niet te overwinnen. Het energieniveau van de geleidingsband van het N-type materiaal overlapt het niveau van de valentieband in het P-type gebied. Met toenemende spanning begint het tunnelen; de niveaus overlappen elkaar; stroom neemt toe, tot op zekere hoogte. Naarmate de stroom verder toeneemt, overlappen de energieniveaus minder; stroom neemt af met toenemende spanning. Dit is het "negatieve weerstands"-gedeelte van de curve.
Toepassingen van tunneldiodes
Tunneldiodes zijn geen goede gelijkrichters, omdat ze in tegengestelde richting een relatief hoge "lekstroom" hebben. Daarom vinden ze alleen toepassing in speciale circuits waar hun unieke tunneleffect waarde heeft. Om het tunneleffect te benutten, worden deze diodes op een voorspanning gehouden ergens tussen de piek- en dalspanningsniveaus, altijd in een voorwaartse polariteit (anode positief en kathode negatief).
Misschien wel de meest voorkomende toepassing van een tunneldiode is in eenvoudige hoogfrequente oscillatorcircuits zoals in de afbeelding (c) hierboven, waar het een DC-spanningsbron mogelijk maakt om vermogen bij te dragen aan een LC "tank" -circuit, waarbij de diode geleidt wanneer de spanning eroverheen bereikt het piekniveau (tunnel) en isoleert effectief bij alle andere spanningen. De weerstanden geven de tunneldiode een voorspanning van enkele tienden van een volt, gecentreerd op het negatieve weerstandsgedeelte van de karakteristieke curve. Het L-C-resonantiecircuit kan een sectie zijn van een golfgeleider voor microgolfwerking. Oscillatie tot 5 GHz is mogelijk.
Geschiedenis van tunneldiodes
Ooit was de tunneldiode de enige beschikbare halfgeleidermicrogolfversterker. Tunneldiodes waren populair vanaf de jaren 60. Ze gingen langer mee dan lopende-golfbuisversterkers, een belangrijke overweging bij satellietzenders. Tunneldiodes zijn ook bestand tegen straling vanwege de zware doping.
Tegenwoordig werken verschillende transistoren op microgolffrequenties. Zelfs kleine signaaltunneldiodes zijn tegenwoordig duur en moeilijk te vinden. Er is nog één fabrikant van germaniumtunneldiodes en geen enkele voor siliciumapparaten. Ze worden soms gebruikt in militair materieel omdat ze ongevoelig zijn voor straling en grote temperatuurschommelingen.
Er is enig onderzoek gedaan naar de mogelijke integratie van siliciumtunneldiodes in CMOS-geïntegreerde schakelingen. Men denkt dat ze in digitale circuits op 100 GHz kunnen schakelen. De enige fabrikant van germaniumapparaten produceert ze één voor één. Er moet een batchproces voor siliciumtunneldiodes worden ontwikkeld en vervolgens worden geïntegreerd met conventionele CMOS-processen. [SZL]
De Esaki-tunneldiode moet niet worden verward met de resonante tunnelingdiode CH 2, van meer complexe constructie van samengestelde halfgeleiders. De RTD is een recentere ontwikkeling die in staat is tot hogere snelheden.
Licht-emitterende diodes
Principe van stralingsenergie-emissie
Diodes worden, net als alle halfgeleiderapparaten, beheerst door de principes die worden beschreven in de kwantumfysica. Een van deze principes is de emissie van stralingsenergie met een specifieke frequentie wanneer elektronen van een hoger energieniveau naar een lager energieniveau vallen.
Dit is hetzelfde principe dat aan het werk is in een neonlamp, de karakteristieke roze-oranje gloed van geïoniseerd neon vanwege de specifieke energieovergangen van zijn elektronen te midden van een elektrische stroom. De unieke kleur van de gloed van een neonlamp is te danken aan het feit dat de neon gas in de buis, en niet vanwege de specifieke hoeveelheid stroom door de buis of spanning tussen de twee elektroden. Neongas gloeit roze-oranje over een breed scala aan ioniserende spanningen en stromen. Elk chemisch element heeft zijn eigen "kenmerkende" emissie van stralingsenergie wanneer zijn elektronen "springen" tussen verschillende, gekwantiseerde energieniveaus. Waterstofgas gloeit bijvoorbeeld rood wanneer het wordt geïoniseerd; kwikdamp gloeit blauw. Dit maakt spectrografische identificatie van elementen mogelijk.
Stralende energie-emissie in LED's
Elektronen die door een PN-overgang stromen, ervaren vergelijkbare overgangen in energieniveau en zenden daarbij stralingsenergie uit. De frequentie van deze stralingsenergie wordt bepaald door de kristalstructuur van het halfgeleidermateriaal en de elementen waaruit het bestaat. Sommige halfgeleiderovergangen, samengesteld uit speciale chemische combinaties, zenden stralingsenergie uit binnen het spectrum van zichtbaar licht wanneer de elektronen van energieniveau veranderen. Simpel gezegd, deze kruispunten gloeien wanneer voorwaarts bevooroordeeld. Een diode die opzettelijk is ontworpen om te gloeien als een lamp, wordt een lichtgevende diode genoemd , of LED .
Elektroluminescentie
Voorwaarts voorgespannen siliciumdiodes geven warmte af wanneer elektron en gaten uit respectievelijk de N-type en P-type gebieden recombineren op de kruising. In een voorwaarts voorgespannen LED levert de recombinatie van elektronen en gaten in het actieve gebied in figuur (c) hieronder fotonen op. Dit proces staat bekend als elektroluminescentie . Om fotonen af te geven, moet de potentiaalbarrière waar de elektronen doorheen vallen hoger zijn dan bij een siliciumdiode. De voorwaartse diodeval kan voor sommige kleuren-LED's tot enkele volts variëren.
Diodes gemaakt van een combinatie van de elementen gallium, arseen en fosfor (genaamd gallium-arsenide-fosfide ) gloeien helder rood en zijn enkele van de meest voorkomende vervaardigde LED's. Door de chemische samenstelling van de PN-overgang te wijzigen, kunnen verschillende kleuren worden verkregen. Vroege generaties LED's waren rood, groen, geel, oranje en infrarood, latere generaties waren blauw en ultraviolet, waarbij violet de nieuwste kleur was die aan de selectie werd toegevoegd. Andere kleuren kunnen worden verkregen door twee of meer primaire kleuren (rood, groen en blauw) LED's samen te voegen in hetzelfde pakket, met dezelfde optische lens. Dit maakte meerkleurige LED's mogelijk, zoals driekleurige LED's (commercieel verkrijgbaar in de jaren 80) die rood en groen gebruiken (waardoor geel kan ontstaan) en later RGB-LED's (rood, groen en blauw), die het hele kleurenspectrum bestrijken.
Schematisch symbool voor LED's
Het schematische symbool voor een LED is een regelmatige diodevorm in een cirkel, met twee kleine pijlen die weg wijzen (die het uitgestraalde licht aangeven), weergegeven in afbeelding (a) hieronder.
LED, Light Emitting Diode:(a) schematisch symbool. (b) Platte kant en korte kabel van het apparaat komen overeen met de kathode, evenals de interne opstelling van de kathode. (c) Dwarsdoorsnede van Led-matrijs.
Deze notatie van twee kleine pijlen die van het apparaat af wijzen, is gebruikelijk in de schematische symbolen van alle lichtemitterende halfgeleiderapparaten. Omgekeerd, als een apparaat licht-geactiveerd . is (wat betekent dat binnenkomend licht het stimuleert), dan heeft het symbool twee kleine pijlen die naar wijzen het. LED's kunnen licht waarnemen. Ze genereren een kleine spanning wanneer ze worden blootgesteld aan licht, net als een zonnecel op kleine schaal. Deze eigenschap kan voordelig worden toegepast in een verscheidenheid aan lichtgevoelige circuits.
Lichtemitterende diodewerking
Omdat LED's van andere chemische stoffen zijn gemaakt dan siliciumdiodes, zullen hun voorwaartse spanningsdalingen anders zijn. Doorgaans hebben LED's veel grotere voorwaartse spanningsdalingen dan gelijkrichtdiodes, overal van ongeveer 1,6 volt tot meer dan 3 volt, afhankelijk van de kleur. De typische bedrijfsstroom voor een LED van standaardformaat is ongeveer 20 mA. Wanneer een LED wordt bediend vanaf een gelijkstroomspanningsbron die groter is dan de voorwaartse spanning van de LED, moet een in serie geschakelde "dropping" -weerstand worden opgenomen om te voorkomen dat de volledige bronspanning de LED beschadigt. Beschouw het voorbeeldcircuit in figuur (a) hieronder met een 6 V-bron.
LED-stroom instellen op 20 ma. (a) voor een 6 V-bron, (b) voor een 24 V-bron.
Als de LED 1,6 volt laat vallen, zal er 4,4 volt over de weerstand vallen. Het dimensioneren van de weerstand voor een LED-stroom van 20 mA is net zo eenvoudig als het nemen van de spanningsval (4,4 volt) en delen door de circuitstroom (20 mA), in overeenstemming met de wet van Ohm (R=E/I). Dit geeft ons een getal van 220 Ω.
Als we de vermogensdissipatie voor deze 220 Ω-weerstand berekenen, nemen we de spanningsval en vermenigvuldigen deze met de stroom (P=IE), en komen uit op 88 mW, ruim binnen het vermogen van een weerstand van 1/8 watt.
Hogere batterijspanningen vereisen drop-weerstanden met een grotere waarde en mogelijk ook weerstanden met een hoger vermogen. Beschouw het voorbeeld in Afbeelding (b) hierboven voor een voedingsspanning van 24 volt:
Hier moet de valweerstand worden verhoogd tot een grootte van 1,12 kΩ om 22,4 volt te laten vallen bij 20 mA, zodat de LED nog steeds slechts 1,6 volt ontvangt. Dit zorgt ook voor een hogere vermogensdissipatie van de weerstand:448 mW, bijna een halve watt vermogen! Het is duidelijk dat een weerstand met een vermogen van 1/8 watt of zelfs een verlies van 1/4 watt oververhit raakt als deze hier wordt gebruikt.
Laatweerstanden in LED-circuits
Het laten vallen van weerstandswaarden hoeft niet precies te zijn voor LED-circuits. Stel dat we een weerstand van 1 kΩ zouden gebruiken in plaats van een weerstand van 1,12 kΩ in het hierboven getoonde circuit. Het resultaat zou een iets grotere circuitstroom en LED-spanningsval zijn, wat resulteert in een helderder licht van de LED en een iets kortere levensduur. Een valweerstand met te veel weerstand (zeg, 1,5 kΩ in plaats van 1,12 kΩ) zal resulteren in minder circuitstroom, minder LED-spanning en een dimmerlicht. LED's zijn vrij tolerant ten opzichte van variaties in het toegepaste vermogen, dus u hoeft niet te streven naar perfectie bij het dimensioneren van de valweerstand.
Meerdere LED's in een circuit
Soms zijn meerdere LED's nodig, bijvoorbeeld bij verlichting. Als LED's parallel worden gebruikt, moet elke LED zijn eigen stroombegrenzingsweerstand hebben, zoals in afbeelding (a) hieronder om ervoor te zorgen dat de stromen gelijkmatiger worden verdeeld. Het is echter efficiënter om LED's in serie te laten werken (Figuur (b) hieronder met een enkele voorschakelweerstand. Naarmate het aantal serie-LED's toeneemt, moet de waarde van de serieweerstand afnemen om de stroom tot een bepaald punt te behouden. Het aantal LED's in serie (Vf) kan de capaciteit van de voeding niet overschrijden. Er kunnen meerdere series strings worden gebruikt zoals in afbeelding (c) hieronder.
Ondanks het vereffenen van de stromen in meerdere LED's, is het mogelijk dat de helderheid van de apparaten niet overeenkomt vanwege variaties in de afzonderlijke onderdelen. Onderdelen kunnen worden geselecteerd voor aanpassing van de helderheid voor kritische toepassingen.
Meerdere LED's:(a) parallel, (b) in serie, (c) serie-parallel
Ook vanwege hun unieke chemische samenstelling hebben LED's veel, veel lagere piek-inverse spanning (PIV)-waarden dan gewone gelijkrichtdiodes. Een typische LED heeft mogelijk alleen een nominaal vermogen van 5 volt in omgekeerde voorspanningsmodus. Sluit daarom, wanneer wisselstroom wordt gebruikt om een LED van stroom te voorzien, een beschermende gelijkrichtdiode anti-parallel aan met de LED om omgekeerde doorslag te voorkomen om de andere halve cyclus, zoals in Afbeelding (a) hieronder.
Een LED aansturen met AC
De antiparallelle diode in figuur (a) hierboven kan worden vervangen door een antiparallelle LED. Het resulterende paar antiparallelle LED's lichten op bij afwisselende halve cycli van de AC-sinusgolf. Deze configuratie trekt 20 mA en verdeelt deze gelijkmatig over de LED's bij wisselende AC-halve cycli. Elke LED krijgt door deze sharing slechts 10 mA. Hetzelfde geldt voor de LED anti-parallel combinatie met een gelijkrichter. De LED ontvangt slechts 10 ma. Als 20 mA nodig was voor de LED('s), kon de weerstandswaarde worden gehalveerd.
Typische specificaties van LED's
De voorwaartse spanningsval van LED's is omgekeerd evenredig met de golflengte (λ). Naarmate de golflengte afneemt van infrarood naar zichtbare kleuren naar ultraviolet, neemt Vf toe. Hoewel deze trend het duidelijkst is bij de verschillende apparaten van een enkele fabrikant, varieert het spanningsbereik voor een bepaalde kleur-LED van verschillende fabrikanten. Dit spanningsbereik wordt weergegeven in de onderstaande tabel.
Optische en elektrische eigenschappen van LED's
LED's versus gloeilampen
Als lampen zijn LED's in veel opzichten superieur aan gloeilampen.
Eerst en vooral is efficiëntie:LED's geven veel meer lichtvermogen per watt elektrisch ingangsvermogen af dan een gloeilamp. Dit is een aanzienlijk voordeel als het circuit in kwestie op batterijen werkt, aangezien de efficiëntie zich vertaalt in een langere levensduur van de batterij.
Ten tweede is het feit dat LED's veel betrouwbaarder zijn en een veel langere levensduur hebben dan gloeilampen. Dit komt omdat LED's "koude" apparaten zijn:ze werken bij veel lagere temperaturen dan een gloeilamp met een witgloeiende metalen gloeidraad, vatbaar voor breuk door mechanische en thermische schokken.
Ten derde is de hoge snelheid waarmee LED's kunnen worden in- en uitgeschakeld. Dit voordeel is ook te danken aan de "koude" werking van LED's:ze hoeven de thermische traagheid niet te overwinnen bij de overgang van uit naar aan of omgekeerd. Om deze reden worden LED's gebruikt om digitale (aan/uit) informatie te verzenden als lichtpulsen, geleid in een lege ruimte of via glasvezelkabel, met zeer hoge snelheden (miljoenen pulsen per seconde).
LED's blinken uit in monochromatische verlichtingstoepassingen zoals verkeerslichten en achterlichten van auto's. Gloeilampen zijn waardeloos in deze toepassing, omdat ze moeten worden gefilterd, waardoor de efficiëntie afneemt. LED's hoeven niet te worden gefilterd.
Nadelen van LED's
Een groot nadeel van het gebruik van LED's als verlichtingsbronnen is hun monochromatische (eenkleurige) emissie. Niemand wil een boek lezen onder het licht van een rode, groene of blauwe LED. Als ze echter in combinatie worden gebruikt, kunnen LED-kleuren worden gemengd voor een meer breed spectrum gloed. Een nieuwe breedspectrum lichtbron is de witte LED. Hoewel kleine witte paneelindicatoren al vele jaren beschikbaar zijn, zijn apparaten met verlichtingskwaliteit nog in ontwikkeling.
Efficiëntie en levensduur van LED's en verschillende verlichtingen
Efficiëntie van verlichting
Een witte LED is een blauwe LED die een fosfor prikkelt die geel licht uitstraalt. Het blauw plus geel benadert wit licht. De aard van de fosfor bepaalt de eigenschappen van het licht. Een rode fosfor kan worden toegevoegd om de kwaliteit van het geel plus blauwe mengsel te verbeteren ten koste van de efficiëntie. De bovenstaande tabel vergelijkt witte verlichtings-LED's met verwachte toekomstige apparaten en andere conventionele lampen. Het rendement wordt gemeten in lumen lichtopbrengst per watt ingangsvermogen. Als het apparaat van 50 lumen/watt kan worden verbeterd tot 100 lumen/watt, zullen witte LED's qua efficiëntie vergelijkbaar zijn met compacte fluorescentielampen.
Geschiedenis van LED's
LED's in het algemeen zijn sinds de jaren zestig een belangrijk onderwerp van R&D. Hierdoor is het onpraktisch om alle geometrieën, scheikunde en kenmerken te behandelen die in de afgelopen decennia zijn gecreëerd. De vroege apparaten waren relatief zwak en namen matige stromingen aan. De efficiëntie is in latere generaties zo verbeterd dat het gevaarlijk is om goed en direct in een verlichte LED te kijken. Dit kan oogletsel veroorzaken en de LED's vereisten slechts een kleine toename van de spanning (Vf) en stroom. Moderne apparaten met hoge intensiteit hebben 180 lumen bereikt bij gebruik van 0,7 ampère (82 lumen/watt, Luxeon Rebel-serie koel wit), en modellen met nog hogere intensiteit kunnen zelfs hogere stromen gebruiken met een overeenkomstige toename in helderheid. Andere ontwikkelingen, zoals kwantumdots, zijn onderwerp van huidig onderzoek, dus verwacht in de toekomst nieuwe dingen voor deze apparaten
Laserdiodes
Lasers
De laserdiode is een verdere ontwikkeling op de reguliere light-emitting diode of LED. De term "laser" zelf is eigenlijk een acroniem, ondanks het feit dat het vaak in kleine letters wordt geschreven. "Laser" staat voor L echt A versterking door S getimuleerde E missie van R adiation, en verwijst naar een ander vreemd kwantumproces waarbij karakteristiek licht dat wordt uitgezonden door elektronen die van een hoog naar een laag niveau van energietoestanden in een materiaal vallen, andere elektronen in een stof stimuleert om vergelijkbare "sprongen" te maken, met als resultaat een gesynchroniseerde uitvoer van licht uit het materiaal. Deze synchronisatie strekt zich uit tot de daadwerkelijke fase van het uitgestraalde licht, zodat alle lichtgolven die worden uitgezonden door een "laserend" materiaal niet alleen dezelfde frequentie (kleur) hebben, maar ook dezelfde fase als elkaar, zodat ze elkaar versterken en in staat zijn om in een zeer strak begrensde, niet-verspreidende bundel. Dit is de reden waarom laserlicht zo opmerkelijk gefocust blijft over lange afstanden:elke lichtgolf die van de laser komt, loopt in de pas met elkaar.
(a) Wit licht van vele golflengten. (b) Monochromatisch LED-licht, een enkele golflengte. (c) Fasecoherent laserlicht.
Gloeilampen produceren "wit" (gemengde frequentie of gemengde kleuren) licht zoals in figuur (a) hierboven. Gewone LED's produceren monochromatisch licht:dezelfde frequentie (kleur), maar verschillende fasen, wat resulteert in een vergelijkbare bundelspreiding in figuur (b). Laser-LED's produceren samenhangend licht :licht dat zowel monochromatisch (eenkleurig) als monofasisch (eenfasig) is, wat resulteert in een nauwkeurige bundelbeperking zoals in figuur (c).
Laserlicht vindt brede toepassing in de moderne wereld:alles van landmeten, waar een rechte en niet-verstrooiende lichtstraal erg handig is voor het nauwkeurig waarnemen van meetmarkeringen, tot het lezen en schrijven van optische schijven, waar alleen de smalheid van een gefocusseerde laser straal is in staat om de microscopisch kleine "putjes" in het oppervlak van de schijf op te lossen, bestaande uit de binaire enen en nullen van digitale informatie.
Sommige laserdiodes hebben speciale krachtige "pulserende" circuits nodig om grote hoeveelheden spanning en stroom in korte bursts te leveren. Andere laserdiodes kunnen continu met een lager vermogen werken. In de continue laser vindt laseractie alleen plaats binnen een bepaald bereik van diodestroom, waardoor een vorm van stroomregulatorcircuit nodig is. Naarmate laserdiodes ouder worden, kunnen hun vermogensvereisten veranderen (meer stroom nodig voor minder uitgangsvermogen), maar er moet aan worden herinnerd dat laserdiodes met een laag vermogen, zoals LED's, apparaten zijn met een vrij lange levensduur, met een typische levensduur van tientallen duizenden uren.
Fotodiodes
Een fotodiode is een diode die is geoptimaliseerd om een elektronenstroom te produceren als reactie op bestraling door ultraviolet, zichtbaar of infrarood licht. Silicium wordt meestal gebruikt om fotodiodes te fabriceren; echter, germanium en galliumarsenide kunnen worden gebruikt. De kruising waardoor licht de halfgeleider binnenkomt, moet dun genoeg zijn om het meeste licht door te laten naar het actieve gebied (depletiegebied) waar licht wordt omgezet in elektronengatparen.
In de onderstaande figuur produceert een ondiepe P-type diffusie in een N-type wafer een PN-overgang nabij het oppervlak van de wafer. De P-type laag moet dun zijn om zoveel mogelijk licht door te laten. Een zware N+-diffusie op de achterkant van de wafer maakt contact met metallisering. De bovenste metallisering kan een fijn raster van metalen vingers zijn op de bovenkant van de wafel voor grote cellen. In kleine fotodiodes kan het bovenste contact een enige verbindingsdraad zijn die contact maakt met de kale P-type siliconen bovenkant.
Fotodiode:schematisch symbool en doorsnede.
Hoe werken fotodiodes?
De intensiteit van het licht dat de bovenkant van de fotodiodestapel binnenkomt, neemt exponentieel af als een functie van de diepte. Een dunne toplaag van het P-type laat de meeste fotonen door in het uitputtingsgebied waar elektron-gatparen worden gevormd. Het elektrische veld over het uitputtingsgebied als gevolg van de ingebouwde diodepotentiaal zorgt ervoor dat elektronen in de N-laag worden geveegd, gaten in de P-laag.
In feite kunnen in elk van de halfgeleidergebieden elektron-gatparen worden gevormd. Degenen die in het uitputtingsgebied worden gevormd, worden echter het meest waarschijnlijk gescheiden in de respectievelijke N- en P-regio's. Veel van de in de P- en N-regio's gevormde elektron-gatparen recombineren. Slechts enkelen doen dat in het uitputtingsgebied. Zo dragen een paar elektron-gatparen in de N- en P-regio's, en de meeste in het uitputtingsgebied bij aan fotostroom , die stroom die het gevolg is van licht dat op de fotodiode valt.
Fotodiode bediening
De spanning van een fotodiode kan worden waargenomen. Werking in deze fotovoltaïsche (PV)-modus is niet lineair over een groot dynamisch bereik, hoewel het gevoelig is en weinig ruis heeft bij frequenties lager dan 100 kHz. De voorkeursmodus is vaak fotostroom (pc) modus omdat de stroom lineair evenredig is met de lichtstroom over meerdere decennia van intensiteit, en een hogere frequentierespons kan worden bereikt. PC-modus wordt bereikt met omgekeerde bias of nul bias op de fotodiode. Een stroomversterker (transimpedantieversterker) moet worden gebruikt met een fotodiode in pc-modus. Lineariteit en pc-modus worden bereikt zolang de diode niet naar voren wordt voorgespannen.
In tegenstelling tot zonnecellen is vaak een snelle werking vereist van fotodiodes. Snelheid is een functie van de diodecapaciteit, die kan worden geminimaliseerd door het celoppervlak te verkleinen. Zo zal een sensor voor een snelle glasvezelverbinding een oppervlakte gebruiken die niet groter is dan nodig, zeg 1 mm2. De capaciteit kan ook worden verminderd door de dikte van het uitputtingsgebied te vergroten, in het fabricageproces of door de omgekeerde voorspanning op de diode te vergroten.
Verschillende soorten PIN-diodes
PIN-diode De p-i-n-diode of PIN-diode is een fotodiode met een intrinsieke laag tussen de P- en N-regio's zoals in onderstaande figuur. De P -Ik ntrinsic-N structuur vergroot de afstand tussen de P- en N-geleidende lagen, vermindert de capaciteit, verhoogt de snelheid. Het volume van het lichtgevoelige gebied neemt ook toe, wat de conversie-efficiëntie verbetert. De bandbreedte kan oplopen tot 10 GHz. PIN-fotodiodes hebben de voorkeur voor hoge gevoeligheid en hoge snelheid tegen matige kosten.
PIN-fotodiode:het intrinsieke gebied vergroot de dikte van het uitputtingsgebied.
Avalanche fotodiode: Een lawinefotodiode (APD) ontworpen om te werken bij een hoge spervoorspanning, vertoont een elektronenvermenigvuldigingseffect analoog aan een fotovermenigvuldigingsbuis. De omgekeerde voorspanning kan lopen van 10 volt tot bijna 2000 V. Het hoge niveau van omgekeerde voorspanning versnelt door fotonen gecreëerde elektron-gatparen in het intrinsieke gebied tot een snelheid die hoog genoeg is om extra dragers te bevrijden van botsingen met het kristalrooster. Er ontstaan dus veel elektronen per foton. De motivatie voor de APD is om versterking binnen de fotodiode te bereiken om ruis in externe versterkers te overwinnen. Dit werkt tot op zekere hoogte. De APD maakt echter zelf geluid. Bij hoge snelheid is de APD superieur aan een PIN-diodeversterkercombinatie, maar niet voor toepassingen met lage snelheid. APD's zijn duur, ongeveer de prijs van een fotomultiplicatorbuis. Ze zijn dus alleen concurrerend met PIN-fotodiodes voor nichetoepassingen. Een dergelijke toepassing is het tellen van enkele fotonen zoals toegepast in de kernfysica.
Zonnecellen
Een fotodiode die is geoptimaliseerd voor het efficiënt leveren van stroom aan een belasting is de zonnecel . Het werkt in de fotovoltaïsche modus (PV) omdat het voorwaarts wordt voorgespannen door de spanning die over de belastingsweerstand wordt ontwikkeld.
Monokristallijne zonnecellen
Monokristallijne zonnecellen worden vervaardigd in een proces dat vergelijkbaar is met de verwerking van halfgeleiders. Dit omvat het kweken van een eenkristalbol van gesmolten silicium met een hoge zuiverheid (P-type), hoewel niet zo zuiver als voor halfgeleiders. De boule is diamant gezaagd of draad gezaagd in wafels. De uiteinden van de boule moeten worden weggegooid of gerecycled, en silicium gaat verloren in de zaagsnede. Omdat moderne cellen bijna vierkant zijn, gaat silicium verloren bij het kwadrateren van de boule. Cellen kunnen worden geëtst om het oppervlak te structureren (opruwen) om het licht in de cel te helpen vangen. Bij de productie van de vierkante wafels van 10 of 15 cm gaat veel silicium verloren. Tegenwoordig (2007) is het gebruikelijk dat de fabrikant van zonnecellen de wafers in dit stadium koopt van een leverancier aan de halfgeleiderindustrie.
Zonnecelcomponenten
P-type wafels worden rug-aan-rug geladen in boten van gesmolten silica, waarbij alleen het buitenoppervlak wordt blootgesteld aan het N-type doteringsmiddel in de diffusie-oven. Het diffusieproces vormt een dunne n-type laag bovenop de cel. Door de diffusie worden ook de randen van de cel van voor naar achter kortgesloten. De periferie moet worden verwijderd door plasma-etsen om de cel kortsluiting te maken. Aan de achterkant van de cel wordt zilver- en/of aluminiumpasta gescreend en aan de voorkant een zilverraster. Deze worden in een oven gesinterd voor een goed elektrisch contact. (Figuur hieronder)
De cellen zijn in serie geschakeld met metalen linten. Voor het opladen van 12 V-batterijen zijn 36 cellen bij ongeveer 0,5 V vacuüm gelamineerd tussen glas en een achterkant van polymeermetaal. Het glas kan een gestructureerd oppervlak hebben om licht op te vangen.
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]
BEOORDELING:
- 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
GERELATEERDE WERKBLAD:
- Design Project:Telegraph System Worksheet
- Optoelectronic Worksheet
- Sources of Electricity Worksheet
- Special Diodes Worksheet
Industriële technologie