Spezielle Dioden
Schottky-Dioden
S Chottky-Dioden bestehen aus einem Metall -zu-N-Übergang anstelle eines P-N-Halbleiterübergangs. Auch bekannt als Hot-Carrier Dioden zeichnen sich Schottky-Dioden durch schnelle Schaltzeiten (geringe Sperrzeit), einen geringen Durchlassspannungsabfall (typischerweise 0,25 bis 0,4 Volt für einen Metall-Silizium-Übergang) und eine niedrige Übergangskapazität aus.
Das schematische Symbol für eine Schottky-Diode ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Schottky-Dioden-Schaltbildsymbol.
Vor- und Nachteile von Schottky-Dioden
Der Durchlassspannungsabfall (VF), die Sperrerholungszeit (trr) und die Sperrschichtkapazität (CJ) von Schottky-Dioden sind näher am Ideal als bei einer durchschnittlichen „Gleichrichtungs“-Diode. Dadurch sind sie gut für Hochfrequenzanwendungen geeignet. Leider haben Schottky-Dioden jedoch typischerweise niedrigere Nennwerte für den Vorwärtsstrom (IF) und die Sperrspannung (VRRM und VDC) als Gleichrichterdioden und sind daher für Anwendungen mit erheblichen Leistungsmengen ungeeignet. Obwohl sie in Niederspannungs-Schaltregler-Netzteilen verwendet werden.
Anwendungen von Schottky-Dioden
Die Schottky-Diodentechnologie findet breite Anwendung in Hochgeschwindigkeits-Computerschaltungen, bei denen die schnelle Schaltzeit einer Hochgeschwindigkeitsfähigkeit entspricht und der niedrige Durchlassspannungsabfall einer geringeren Verlustleistung beim Leiten entspricht.
Schaltregler-Netzteile, die mit 100 kHz arbeiten, können aufgrund ihrer langsamen Schaltgeschwindigkeit keine herkömmlichen Siliziumdioden als Gleichrichter verwenden. Wenn das an eine Diode angelegte Signal von Vorwärts- zu Rückwärtsvorspannung wechselt, wird die Leitung für kurze Zeit fortgesetzt, während Träger aus dem Verarmungsbereich herausgespült werden. Die Leitung hört erst nach dieser tr umgekehrten Erholungszeit . auf abgelaufen. Schottky-Dioden haben eine kürzere Sperrverzögerungszeit.
Unabhängig von der Schaltgeschwindigkeit führt der Durchlassspannungsabfall von 0,7 V von Siliziumdioden zu einer schlechten Effizienz in Niederspannungsversorgungen. Dies ist beispielsweise bei einer 10-V-Versorgung kein Problem. Bei einer 1-V-Versorgung ist der 0,7-V-Abfall ein wesentlicher Teil des Ausgangs. Eine Lösung besteht darin, eine Schottky-Leistungsdiode zu verwenden, die einen geringeren Vorwärtsabfall hat.
Tunneldioden
Tunneldioden nutzen ein seltsames Quantenphänomen namens resonantes Tunneln um einen negativen Widerstand in Durchlassrichtung bereitzustellen. Wenn eine kleine Vorwärtsspannung an eine Tunneldiode angelegt wird, beginnt sie Strom zu leiten. (Abbildung unten (b)) Wenn die Spannung erhöht wird, steigt der Strom und erreicht einen Spitzenwert, der als Spitzenstrom bezeichnet wird (IP). Wenn die Spannung noch etwas erhöht wird, beginnt der Strom tatsächlich abzunehmen bis er einen Tiefpunkt erreicht, der als Talstrom bezeichnet wird (IV). Wird die Spannung noch weiter erhöht, beginnt der Strom wieder zu steigen, diesmal ohne in ein weiteres „Tal“ abzusinken. Das schematische Symbol für die Tunneldiode in Abbildung (a) unten gezeigt.
Tunneldiode (a) Schematisches Symbol. (b) Strom-Spannungs-Diagramm (c) Oszillator.
Die Durchlassspannungen, die erforderlich sind, um eine Tunneldiode auf ihre Spitzen- und Talströme zu treiben, sind als Spitzenspannung (VP) bzw. Talspannung (VV) bekannt. Der Bereich im Diagramm, in dem der Strom abnimmt, während die angelegte Spannung ansteigt (zwischen VP und VV auf der horizontalen Skala), wird als der Bereich des negativen Widerstands . bezeichnet .
Tunneldioden, auch bekannt als Esaki-Dioden zu Ehren ihres japanischen Erfinders Leo Esaki sind in der Lage, sehr schnell zwischen Spitzen- und Talstrompegeln zu wechseln und zwischen hohen und niedrigen Leitungszuständen viel schneller zu „schalten“ als selbst Schottky-Dioden. Die Eigenschaften von Tunneldioden werden auch von Temperaturänderungen relativ unbeeinflusst.
Rückwärtsdurchbruchspannung gegenüber dem Dotierungsniveau. Nach Sze [SGG]
Eigenschaften von Tunneldioden
Tunneldioden sind sowohl im P- als auch im N-Bereich stark dotiert, das 1000-fache des Pegels in einem Gleichrichter. Dies ist in der obigen Abbildung zu sehen. Standarddioden befinden sich ganz links, Zenerdioden nahe links und Tunneldioden rechts von der gestrichelten Linie. Die starke Dotierung erzeugt einen ungewöhnlich dünnen Verarmungsbereich. Dies erzeugt eine ungewöhnlich niedrige Durchbruchspannung in Sperrrichtung mit hohem Leckstrom. Der dünne Verarmungsbereich verursacht eine hohe Kapazität. Um dies zu überwinden, muss die Übergangsfläche der Tunneldiode winzig sein.
Die Durchlassdiodenkennlinie besteht aus zwei Bereichen:einer normalen Durchlassdiodenkennlinie mit einem exponentiell über VF ansteigenden Strom, 0,3 V für Ge, 0,7 V für Si.
Zwischen 0 V und VF liegt eine zusätzliche charakteristische Spitze des „negativen Widerstands“. Dies ist auf das quantenmechanische Tunneln zurückzuführen, das die duale Teilchenwellennatur von Elektronen beinhaltet. Der Verarmungsbereich ist im Vergleich zur äquivalenten Wellenlänge des Elektrons dünn genug, dass sie durchtunneln können. Sie müssen die normale Durchlassdiodenspannung VF nicht überwinden. Das Energieniveau des Leitungsbandes des N-Typ-Materials überlappt das Niveau des Valenzbandes im P-Typ-Bereich. Mit steigender Spannung beginnt das Tunneln; die Ebenen überschneiden sich; Strom steigt bis zu einem gewissen Punkt. Wenn der Strom weiter ansteigt, überlappen sich die Energieniveaus weniger; Strom nimmt mit steigender Spannung ab. Dies ist der „negative Widerstand“-Teil der Kurve.
Anwendungen von Tunneldioden
Tunneldioden sind keine guten Gleichrichter, da sie bei Sperrspannung einen relativ hohen "Leckstrom" haben. Folglich finden sie nur in speziellen Schaltungen Anwendung, bei denen ihr einzigartiger Tunneleffekt von Wert ist. Um den Tunneleffekt auszunutzen, werden diese Dioden auf einer Vorspannung irgendwo zwischen den Spitzen- und Talspannungspegeln gehalten, immer in Durchlassrichtung (Anode positiv und Kathode negativ).
Die vielleicht gebräuchlichste Anwendung einer Tunneldiode ist in einfachen Hochfrequenzoszillatorschaltungen wie in der Abbildung (c) oben, wo sie einer Gleichspannungsquelle ermöglicht, Leistung zu einer LC-"Tank" -Schaltung beizutragen, wobei die Diode leitet, wenn die Spannung darüber den Spitzenpegel (Tunnelpegel) erreicht und bei allen anderen Spannungen effektiv isoliert. Die Widerstände spannen die Tunneldiode mit einigen Zehntel Volt vor, die auf dem negativen Widerstandsteil der charakteristischen Kurve zentriert sind. Der L-C-Schwingkreis kann ein Abschnitt eines Wellenleiters für den Mikrowellenbetrieb sein. Oszillation bis 5 GHz ist möglich.
Geschichte der Tunneldioden
Die Tunneldiode war einst der einzige verfügbare Festkörper-Mikrowellenverstärker. Tunneldioden waren ab den 1960er Jahren beliebt. Sie waren langlebiger als Wanderfeldröhrenverstärker, ein wichtiger Aspekt bei Satellitensendern. Tunneldioden sind aufgrund der starken Dotierung auch resistent gegen Strahlung.
Heutzutage arbeiten verschiedene Transistoren mit Mikrowellenfrequenzen. Selbst kleine Signaltunneldioden sind teuer und heute schwer zu finden. Es gibt einen verbleibenden Hersteller von Germanium-Tunneldioden und keinen für Siliziumbauelemente. Sie werden manchmal in militärischer Ausrüstung verwendet, da sie gegenüber Strahlung und großen Temperaturschwankungen unempfindlich sind.
Es gab einige Forschungen, die die mögliche Integration von Silizium-Tunneldioden in integrierte CMOS-Schaltungen beinhalteten. Es wird angenommen, dass sie in der Lage sind, in digitalen Schaltungen bei 100 GHz zu schalten. Der einzige Hersteller von Germaniumgeräten produziert sie einzeln. Ein Batch-Prozess für Silizium-Tunneldioden muss entwickelt und dann in konventionelle CMOS-Prozesse integriert werden. [SZL]
Die Tunneldiode von Esaki sollte nicht mit der resonanten Tunneldiode verwechselt werden CH 2, komplexer aufgebaut aus Verbindungshalbleitern. Das RTD ist eine neuere Entwicklung, die eine höhere Geschwindigkeit ermöglicht.
Leuchtdioden
Prinzip der Strahlungsenergieemission
Dioden unterliegen wie alle Halbleiterbauelemente den in der Quantenphysik beschriebenen Prinzipien. Eines dieser Prinzipien ist die Emission von Strahlungsenergie mit spezifischer Frequenz, wenn Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau fallen.
Das gleiche Prinzip funktioniert auch in einer Neonlampe, dem charakteristischen rosa-orangen Leuchten von ionisiertem Neon aufgrund der spezifischen Energieübergänge seiner Elektronen inmitten eines elektrischen Stroms. Die einzigartige Farbe des Leuchtens einer Neonlampe ist darauf zurückzuführen, dass ihr Neon Gas in der Röhre, und nicht aufgrund der besonderen Stromstärke durch die Röhre oder Spannung zwischen den beiden Elektroden. Neongas leuchtet rosa-orange über einen weiten Bereich von ionisierenden Spannungen und Strömen. Jedes chemische Element hat seine eigene „signature“ Emission von Strahlungsenergie, wenn seine Elektronen zwischen verschiedenen, quantisierten Energieniveaus „springen“. Wasserstoffgas zum Beispiel leuchtet rot, wenn es ionisiert wird; Quecksilberdampf leuchtet blau. Dies ermöglicht die spektrographische Identifizierung von Elementen.
Strahlungsenergieemission bei LEDs
Elektronen, die durch einen PN-Übergang fließen, erfahren ähnliche Energieniveauübergänge und emittieren dabei Strahlungsenergie. Die Frequenz dieser Strahlungsenergie wird durch die Kristallstruktur des Halbleitermaterials und der Elemente, aus denen es besteht, bestimmt. Einige Halbleiterübergänge, die aus speziellen chemischen Kombinationen bestehen, emittieren Strahlungsenergie im Spektrum des sichtbaren Lichts, wenn die Elektronen das Energieniveau ändern. Einfach gesagt, diese Kreuzungen leuchten wenn vorwärts vorgespannt. Eine Diode, die absichtlich wie eine Lampe leuchten soll, wird als Leuchtdiode bezeichnet , oder LED .
Elektrolumineszenz
In Durchlassrichtung vorgespannte Siliziumdioden geben Wärme ab, wenn Elektronen und Löcher aus den N-Typ- bzw. P-Typ-Bereichen am Übergang rekombinieren. In einer vorwärts vorgespannten LED liefert die Rekombination von Elektronen und Löchern im aktiven Bereich in Abbildung (c) unten Photonen. Dieser Vorgang wird als Elektrolumineszenz bezeichnet . Um Photonen abzugeben, muss die Potentialbarriere, durch die die Elektronen fallen, höher sein als bei einer Siliziumdiode. Der Spannungsabfall der Vorwärtsdiode kann bei einigen Farb-LEDs bis zu einigen Volt betragen.
Dioden aus einer Kombination der Elemente Gallium, Arsen und Phosphor (genannt Gallium-Arsenid-Phosphid ) leuchten hellrot und sind einige der am häufigsten hergestellten LEDs. Durch Ändern der chemischen Zusammensetzung des PN-Übergangs können verschiedene Farben erhalten werden. Frühe Generationen von LEDs waren Rot, Grün, Gelb, Orange und Infrarot, spätere Generationen umfassten Blau und Ultraviolett, wobei Violett die neueste Farbe war, die der Auswahl hinzugefügt wurde. Andere Farben können durch Kombinieren von zwei oder mehr Primärfarben-LEDs (rot, grün und blau) im selben Gehäuse erhalten werden, die sich dieselbe optische Linse teilen. Dies ermöglichte mehrfarbige LEDs, wie z. B. dreifarbige LEDs (im Handel erhältlich in den 1980er Jahren) mit Rot und Grün (die Gelb erzeugen können) und später RGB-LEDs (Rot, Grün und Blau), die das gesamte Farbspektrum abdecken.
Schematisches Symbol für LEDs
Das schematische Symbol für eine LED ist eine regelmäßige Diodenform innerhalb eines Kreises mit zwei kleinen wegweisenden Pfeilen (die das emittierte Licht anzeigen), wie in Abbildung (a) unten gezeigt.
LED, Leuchtdiode:(a) schematisches Symbol. (b) Flache Seite und kurzes Kabel des Geräts entsprechen der Kathode sowie der internen Anordnung der Kathode. (c) Querschnitt des LED-Chips.
Diese Notation mit zwei kleinen, vom Bauelement wegweisenden Pfeilen ist den schematischen Symbolen aller lichtemittierenden Halbleiterbauelemente gemeinsam. Umgekehrt, wenn ein Gerät Licht-aktiviert ist (was bedeutet, dass einfallendes Licht es stimuliert), dann hat das Symbol zwei kleine Pfeile, die in Richtung zeigen es. LEDs können Licht wahrnehmen. Sie erzeugen eine kleine Spannung, wenn sie Licht ausgesetzt werden, ähnlich wie eine Solarzelle im kleinen Maßstab. Diese Eigenschaft kann in einer Vielzahl von Lichtsensorschaltungen gewinnbringend angewendet werden.
Betrieb mit lichtemittierenden Dioden
Da LEDs aus anderen chemischen Substanzen bestehen als Siliziumdioden, sind ihre Durchlassspannungsabfälle unterschiedlich. Normalerweise haben LEDs viel größere Durchlassspannungsabfälle als gleichrichtende Dioden, je nach Farbe zwischen etwa 1,6 Volt und über 3 Volt. Der typische Betriebsstrom für eine Standard-LED beträgt etwa 20 mA. Wenn eine LED an einer Gleichspannungsquelle betrieben wird, die höher als die Durchlassspannung der LED ist, muss ein in Reihe geschalteter „Abfall“-Widerstand eingebaut werden, um zu verhindern, dass die volle Quellenspannung die LED beschädigt. Betrachten Sie die Beispielschaltung in Abbildung (a) unten mit einer 6-V-Quelle.
LED-Strom auf 20 mA einstellen. (a) für eine 6-V-Quelle, (b) für eine 24-V-Quelle.
Wenn die LED 1,6 Volt abfällt, fallen 4,4 Volt am Widerstand ab. Die Dimensionierung des Widerstands für einen LED-Strom von 20 mA ist einfach, indem man seinen Spannungsabfall (4,4 Volt) nimmt und durch den Stromkreis (20 mA) gemäß dem Ohmschen Gesetz (R=E/I) dividiert. Dies ergibt eine Zahl von 220 Ω.
Bei der Berechnung der Verlustleistung für diesen 220--Widerstand nehmen wir seinen Spannungsabfall und multiplizieren mit seinem Strom (P=IE) und erhalten am Ende 88 mW, gut innerhalb der Nennleistung eines 1/8-Watt-Widerstands.
Höhere Batteriespannungen erfordern Vorwiderstand mit größerem Wert und möglicherweise auch Widerstände mit höherer Leistung. Betrachten Sie das Beispiel in Abbildung (b) oben für eine Versorgungsspannung von 24 Volt:
Hier muss der Vorwiderstand auf eine Größe von 1,12 kΩ erhöht werden, um bei 20 mA 22,4 Volt abfallen zu lassen, damit die LED immer noch nur 1,6 Volt erhält. Dies sorgt auch für eine höhere Verlustleistung des Widerstands:448 mW, fast ein halbes Watt Leistung! Offensichtlich überhitzt ein Widerstand, der für 1/8 Watt Verlustleistung oder sogar 1/4 Watt Verlustleistung ausgelegt ist, wenn er hier verwendet wird.
Abfallwiderstände in LED-Schaltungen
Vorwiderstandswerte müssen für LED-Schaltungen nicht genau sein. Angenommen, wir würden in der oben gezeigten Schaltung einen 1-kΩ-Widerstand anstelle eines 1,12-k-Widerstands verwenden. Das Ergebnis wäre ein etwas größerer Strom- und LED-Spannungsabfall, was zu einem helleren Licht der LED und einer etwas geringeren Lebensdauer führt. Ein Vorwiderstand mit zu hohem Widerstand (z. B. 1,5 kΩ statt 1,12 kΩ) führt zu weniger Strom im Stromkreis, weniger LED-Spannung und einem dunkleren Licht. LEDs sind ziemlich tolerant gegenüber Schwankungen der angelegten Leistung, daher müssen Sie bei der Dimensionierung des Vorwiderstands nicht nach Perfektion streben.
Mehrere LEDs in einem Stromkreis
Manchmal werden mehrere LEDs benötigt, beispielsweise in der Beleuchtung. Wenn LEDs parallel betrieben werden, muss jede ihren eigenen Strombegrenzungswiderstand haben, wie in Abbildung (a) unten, um eine gleichmäßigere Stromverteilung zu gewährleisten. Es ist jedoch effizienter, LEDs in Reihe (Abbildung (b) unten) mit einem einzelnen Vorwiderstand zu betreiben. Wenn die Anzahl der Reihen-LEDs zunimmt, muss der Reihenwiderstandswert sinken, um den Strom auf einen bestimmten Punkt zu halten. Die Anzahl der LEDs in Reihe (Vf) darf die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung nicht überschreiten. Mehrere Reihenstränge können verwendet werden, wie in Abbildung (c) unten gezeigt.
Trotz des Stromausgleichs in mehreren LEDs kann es vorkommen, dass die Helligkeit der Geräte aufgrund von Abweichungen in den Einzelteilen nicht übereinstimmt. Teile können zur Helligkeitsanpassung für kritische Anwendungen ausgewählt werden.
Mehrere LEDs:(a) parallel, (b) in Reihe, (c) seriell-parallel
Auch aufgrund ihrer einzigartigen chemischen Zusammensetzung haben LEDs viel, viel niedrigere PIV-Werte als normale Gleichrichterdioden. Eine typische LED kann im Sperrspannungsmodus nur für 5 Volt ausgelegt sein. Wenn Sie eine LED mit Wechselstrom versorgen, schließen Sie daher eine antiparallele Schutzdiode mit der LED an, um einen Rückwärtsdurchschlag bei jeder zweiten Halbwelle zu verhindern, wie in Abbildung (a) unten gezeigt.
LED mit Wechselstrom ansteuern
Die antiparallele Diode in Abbildung (a) oben kann durch eine antiparallele LED ersetzt werden. Das resultierende Paar antiparalleler LEDs leuchtet auf abwechselnden Halbwellen der AC-Sinuswelle. Diese Konfiguration zieht 20 mA und teilt sie gleichmäßig auf die LEDs bei abwechselnden AC-Halbzyklen auf. Durch diese gemeinsame Nutzung erhält jede LED nur 10 mA. Gleiches gilt für die LED-Antiparallelkombination mit einem Gleichrichter. Die LED empfängt nur 10 ma. Wenn für die LED(s) 20 mA erforderlich wären, könnte der Widerstandswert halbiert werden.
Typische Spezifikationen von LEDs
Der Durchlassspannungsabfall von LEDs ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge (λ). Wenn die Wellenlänge von Infrarot über sichtbare Farben zu Ultraviolett abnimmt, nimmt Vf zu. Während dieser Trend bei den verschiedenen Geräten eines Herstellers am deutlichsten ist, variiert der Spannungsbereich für eine bestimmte Farb-LED verschiedener Hersteller. Dieser Spannungsbereich ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Optische und elektrische Eigenschaften von LEDs
LEDs versus Glühbirnen
Als Lampen sind LEDs Glühbirnen in vielerlei Hinsicht überlegen.
An erster Stelle steht die Effizienz:LEDs geben pro Watt elektrischer Leistung deutlich mehr Lichtleistung ab als eine Glühlampe. Dies ist ein erheblicher Vorteil, wenn die betreffende Schaltung batteriebetrieben ist, und die Effizienz führt zu einer längeren Batterielebensdauer.
Zweitens sind LEDs weitaus zuverlässiger und haben eine viel längere Lebensdauer als Glühlampen. Dies liegt daran, dass LEDs „kalte“ Geräte sind:Sie arbeiten bei viel kühleren Temperaturen als eine Glühlampe mit einem weißglühenden Metallfaden und können durch mechanischen und thermischen Schock brechen.
Drittens ist die hohe Geschwindigkeit, mit der LEDs ein- und ausgeschaltet werden können. Dieser Vorteil ist auch auf den „kalten“ Betrieb von LEDs zurückzuführen:Sie müssen keine thermische Trägheit beim Übergang von Aus auf Ein oder umgekehrt überwinden. Aus diesem Grund werden LEDs verwendet, um digitale (Ein/Aus-)Informationen als Lichtimpulse mit sehr hoher Geschwindigkeit (Millionen Impulse pro Sekunde) im leeren Raum oder durch Glasfaserkabel zu übertragen.
LEDs eignen sich hervorragend für monochromatische Beleuchtungsanwendungen wie Verkehrszeichen und Autorücklichter. Glühlampen sind in dieser Anwendung katastrophal, da sie eine Filterung erfordern, was die Effizienz verringert. LEDs erfordern keine Filterung.
Nachteile von LEDs
Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von LEDs als Beleuchtungsquelle ist ihre monochromatische (einfarbige) Emission. Niemand möchte ein Buch im Licht einer roten, grünen oder blauen LED lesen. Bei kombinierter Verwendung können die LED-Farben jedoch gemischt werden, um ein breiteres Leuchtenspektrum zu erzielen. Eine neue Breitbandlichtquelle ist die weiße LED. Während seit vielen Jahren kleine weiße Anzeigetafeln erhältlich sind, befinden sich Geräte mit Beleuchtungsqualität noch in der Entwicklung.
Effizienz und Lebensdauer von LEDs und verschiedenen Beleuchtungen
Effizienz der Beleuchtung
Eine weiße LED ist eine blaue LED, die einen Phosphor anregt, der gelbes Licht emittiert. Das Blau plus Gelb nähert sich weißem Licht an. Die Art des Leuchtstoffs bestimmt die Eigenschaften des Lichts. Ein roter Leuchtstoff kann zugesetzt werden, um die Qualität der Gelb-Blau-Mischung auf Kosten der Effizienz zu verbessern. Die obige Tabelle vergleicht weiße Beleuchtungs-LEDs mit erwarteten zukünftigen Geräten und anderen herkömmlichen Lampen. Die Effizienz wird in Lumen Lichtleistung pro Watt Eingangsleistung gemessen. Wenn das 50-Lumen/Watt-Gerät auf 100 Lumen/Watt verbessert werden kann, werden weiße LEDs in der Effizienz mit Kompaktleuchtstofflampen vergleichbar sein.
Geschichte der LEDs
LEDs im Allgemeinen sind seit den 1960er Jahren ein wichtiges Thema der Forschung und Entwicklung. Aus diesem Grund ist es nicht praktikabel, alle Geometrien, Chemien und Eigenschaften abzudecken, die im Laufe der Jahrzehnte entstanden sind. Die frühen Geräte waren relativ schwach und nahmen mäßige Ströme auf. Die Wirkungsgrade wurden in späteren Generationen so weit verbessert, dass es gefährlich ist, genau und direkt in eine beleuchtete LED zu schauen. Dies kann zu Augenschäden führen, und die LEDs erforderten nur eine geringfügige Erhöhung der abfallenden Spannung (Vf) und des Stroms. Moderne High-Intensity-Geräte haben mit 0,7 Ampere 180 Lumen erreicht (82 Lumen/Watt, Luxeon Rebel-Serie kaltweiß), und Modelle mit noch höherer Intensität können sogar noch höhere Ströme mit entsprechender Helligkeitssteigerung verwenden. Andere Entwicklungen, wie zum Beispiel Quantenpunkte, sind Gegenstand aktueller Forschungen, also erwarten Sie in Zukunft neue Dinge für diese Geräte
Laserdioden
Laser
Die Laserdiode ist eine Weiterentwicklung der regulären Leuchtdiode oder LED. Der Begriff „Laser“ selbst ist eigentlich ein Akronym, obwohl er oft in Kleinbuchstaben geschrieben wird. „Laser“ steht für L ight A Erweiterung um S stimuliert E Mission von R Strahlung und bezieht sich auf einen anderen seltsamen Quantenprozess, bei dem charakteristisches Licht, das von Elektronen emittiert wird, die von einem hohen in einen niedrigen Energiezustand in einem Material fallen, andere Elektronen in einer Substanz zu ähnlichen „Sprüngen“ anregt, was zu einer synchronisierten Lichtabgabe führt aus dem Material. Diese Synchronisation erstreckt sich auf die eigentliche Phase des emittierten Lichts, so dass alle von einem „lasierenden“ Material emittierten Lichtwellen nicht nur die gleiche Frequenz (Farbe), sondern auch die gleiche Phase haben, sich gegenseitig verstärken und sich in sehr eng begrenzter, nicht streuender Strahl. Aus diesem Grund bleibt das Laserlicht über große Entfernungen so bemerkenswert fokussiert:Jede einzelne Lichtwelle, die vom Laser ausgeht, ist im Gleichschritt.
(a) Weißes Licht vieler Wellenlängen. (b) Monochromatisches LED-Licht, eine einzelne Wellenlänge. (c) Phasenkohärentes Laserlicht.
Glühlampen erzeugen „weißes“ (Mischfrequenz- oder Mischfarben-) Licht wie in Abbildung (a) oben . Normale LEDs erzeugen monochromatisches Licht:gleiche Frequenz (Farbe), aber unterschiedliche Phasen, was zu einer ähnlichen Strahlstreuung in Abbildung (b) führt. Laser-LEDs erzeugen kohärentes Licht :Licht, das sowohl monochromatisch (einfarbig) als auch monophasisch (einphasig) ist, was zu einer präzisen Strahlbegrenzung wie in Abbildung (c) führt.
Laserlicht findet in der modernen Welt breite Anwendung:alles von der Vermessung, bei der ein gerader und nicht streuender Lichtstrahl zum präzisen Anvisieren von Messmarken sehr nützlich ist, bis zum Lesen und Beschreiben von optischen Datenträgern, bei denen nur die Enge eines fokussierten Lasers Strahl ist in der Lage, die mikroskopischen „Pits“ in der Oberfläche der Scheibe aufzulösen, die aus den binären Einsen und Nullen der digitalen Informationen bestehen.
Einige Laserdioden erfordern spezielle Hochleistungs-"Puls"-Schaltungen, um große Spannungs- und Strommengen in kurzen Bursts zu liefern. Andere Laserdioden können kontinuierlich mit geringerer Leistung betrieben werden. Beim kontinuierlichen Laser tritt die Laserwirkung nur innerhalb eines bestimmten Bereichs des Diodenstroms auf, was eine Art Stromreglerschaltung erfordert. Mit zunehmendem Alter von Laserdioden kann sich ihr Leistungsbedarf ändern (mehr Strom für weniger Ausgangsleistung erforderlich), aber es sollte daran erinnert werden, dass Laserdioden mit geringer Leistung, wie LEDs, ziemlich langlebige Geräte mit typischen Lebensdauern von mehreren zehn . sind Tausende von Stunden.
Fotodioden
Eine Fotodiode ist eine Diode, die so optimiert ist, dass sie als Reaktion auf die Bestrahlung mit ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht einen Elektronenstromfluss erzeugt. Silizium wird am häufigsten zur Herstellung von Fotodioden verwendet; jedoch können Germanium und Galliumarsenid verwendet werden. Der Übergang, durch den Licht in den Halbleiter eintritt, muss dünn genug sein, um den größten Teil des Lichts in den aktiven Bereich (Verarmungsbereich) zu leiten, wo Licht in Elektronen-Loch-Paare umgewandelt wird.
In der Abbildung unten erzeugt eine flache P-Typ-Diffusion in einen N-Typ-Wafer einen PN-Übergang nahe der Oberfläche des Wafers. Die Schicht vom P-Typ muss dünn sein, um so viel Licht wie möglich durchzulassen. Eine starke N+-Diffusion auf der Rückseite des Wafers kontaktiert die Metallisierung. Die obere Metallisierung kann bei großen Zellen ein feines Gitter aus metallischen Fingern auf der Oberseite des Wafers sein. Bei kleinen Fotodioden kann der obere Kontakt ein einziger Bonddraht sein, der die blanke P-Siliziumoberseite kontaktiert.
Fotodiode:Schematisches Symbol und Querschnitt.
Wie Fotodioden funktionieren?
Die Intensität des Lichts, das oben in den Photodiodenstapel einfällt, fällt exponentiell als Funktion der Tiefe ab. Eine dünne obere Schicht vom P-Typ erlaubt den meisten Photonen, in den Verarmungsbereich zu gelangen, wo Elektron-Loch-Paare gebildet werden. Das elektrische Feld über dem Verarmungsbereich aufgrund des eingebauten Diodenpotentials bewirkt, dass Elektronen in die N-Schicht und Löcher in die P-Schicht gespült werden.
Tatsächlich können Elektron-Loch-Paare in jedem der Halbleiterbereiche gebildet werden. Jedoch werden diejenigen, die in der Verarmungsregion gebildet werden, am wahrscheinlichsten in die jeweiligen N- und P-Regionen getrennt. Viele der in den P- und N-Regionen gebildeten Elektron-Loch-Paare rekombinieren. Nur wenige tun dies in der Erschöpfungsregion. Daher tragen einige wenige Elektron-Loch-Paare in den N- und P-Regionen und die meisten in der Verarmungsregion zum Photostrom bei , der Strom, der aus Licht entsteht, das auf die Fotodiode fällt.
Fotodiodenbetrieb
Die Spannung aus einer Fotodiode kann beobachtet werden. Betrieb in dieser Photovoltaik (PV)-Modus ist über einen großen Dynamikbereich nicht linear, obwohl er empfindlich ist und bei Frequenzen unter 100 kHz ein geringes Rauschen aufweist. Die bevorzugte Betriebsart ist oft Photostrom (PC) Modus, da der Strom über mehrere Dekaden der Intensität linear proportional zum Lichtfluss ist und ein höherer Frequenzgang erreicht werden kann. Der PC-Modus wird mit Sperrvorspannung oder Nullvorspannung an der Fotodiode erreicht. Im PC-Modus sollte ein Stromverstärker (Transimpedanzverstärker) mit einer Fotodiode verwendet werden. Linearität und PC-Modus werden erreicht, solange die Diode nicht in Durchlassrichtung vorgespannt wird.
Im Gegensatz zu Solarzellen wird häufig ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb von Photodioden verlangt. Die Geschwindigkeit ist eine Funktion der Diodenkapazität, die durch Verringern der Zellfläche minimiert werden kann. Somit verwendet ein Sensor für eine Hochgeschwindigkeits-Glasfaserverbindung eine Fläche, die nicht größer als notwendig ist, beispielsweise 1 mm2. Die Kapazität kann auch durch Erhöhen der Dicke des Verarmungsbereichs, im Herstellungsprozess oder durch Erhöhen der Sperrspannung der Diode verringert werden.
Verschiedene Arten von PIN-Dioden
PIN-Diode Die p-i-n-Diode oder PIN-Diode ist eine Fotodiode mit einer intrinsischen Schicht zwischen den P- und N-Bereichen wie in der Abbildung unten. Das P -Ich ntrinsisch-N Struktur vergrößert den Abstand zwischen den leitenden P- und N-Schichten, verringert die Kapazität, erhöht die Geschwindigkeit. Das Volumen des lichtempfindlichen Bereichs nimmt ebenfalls zu, wodurch die Umwandlungseffizienz verbessert wird. Die Bandbreite kann bis zu 10 GHz reichen. PIN-Fotodioden werden wegen ihrer hohen Empfindlichkeit und hohen Geschwindigkeit bei moderaten Kosten bevorzugt.
PIN-Photodiode:Die intrinsische Region erhöht die Dicke der Verarmungsregion.
Lawinenfotodiode: Eine Lawinen-Photodiode (APD) die für den Betrieb bei hoher Sperrspannung ausgelegt ist, zeigt einen Elektronenvervielfachereffekt analog zu einer Fotovervielfacherröhre. Die Sperrspannung kann von 10 Volt bis fast 2000 V reichen. Die hohe Sperrspannung beschleunigt die durch Photonen erzeugten Elektron-Loch-Paare im intrinsischen Bereich auf eine Geschwindigkeit, die hoch genug ist, um zusätzliche Ladungsträger von Kollisionen mit dem Kristallgitter zu befreien. Somit ergeben sich viele Elektronen pro Photon. Die Motivation für die APD besteht darin, eine Verstärkung innerhalb der Fotodiode zu erreichen, um das Rauschen in externen Verstärkern zu überwinden. Das funktioniert einigermaßen. Die APD erzeugt jedoch selbst Geräusche. Bei hoher Geschwindigkeit ist die APD einer PIN-Dioden-Verstärkerkombination überlegen, jedoch nicht für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit. APDs sind teuer, ungefähr so viel wie eine Photomultiplier-Röhre. Sie sind daher nur für Nischenanwendungen mit PIN-Photodioden konkurrenzfähig. Eine solche Anwendung ist die Einzelphotonenzählung, wie sie in der Kernphysik angewendet wird.
Solarzellen
Eine Fotodiode, die für die effiziente Stromversorgung einer Last optimiert ist, ist die Solarzelle . Es arbeitet im Photovoltaik-Modus (PV), da es durch die Spannung, die über dem Lastwiderstand entsteht, in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen werden in einem Prozess ähnlich der Halbleiterverarbeitung hergestellt. Dies beinhaltet das Züchten einer Einkristallkugel aus geschmolzenem hochreinem Silizium (P-Typ), allerdings nicht so hochrein wie bei Halbleitern. Die Boule wird in Wafer diamant- oder drahtgesägt. Die Enden der Boule müssen entsorgt oder recycelt werden und im Sägespalt geht Silizium verloren. Da moderne Zellen nahezu quadratisch sind, geht Silizium beim Quadrieren der Kugel verloren. Zellen können geätzt werden, um die Oberfläche zu texturieren (aufzurauen), um Licht in der Zelle einzuschließen. Bei der Herstellung der 10 oder 15 cm großen quadratischen Wafer geht viel Silizium verloren. Heutzutage (2007) ist es üblich, dass Solarzellenhersteller die Wafer in dieser Phase von einem Zulieferer für die Halbleiterindustrie beziehen.
Solarzellenkomponenten
P-Typ-Wafer werden Rücken an Rücken in Quarzglasschiffchen geladen, wobei nur die äußere Oberfläche dem N-Typ-Dotierungsmittel im Diffusionsofen ausgesetzt wird. Der Diffusionsprozess bildet eine dünne Schicht vom n-Typ auf der Oberseite der Zelle. Durch die Diffusion werden auch die Kanten der Zelle von vorne nach hinten kurzgeschlossen. Die Peripherie muss durch Plasmaätzen entfernt werden, um die Zelle kurzzuschließen. Auf der Rückseite der Zelle befindet sich Silber- und/oder Aluminiumpaste, auf der Vorderseite ein silbernes Gitter. Diese werden für einen guten elektrischen Kontakt in einem Ofen gesintert. (Abbildung unten)
Die Zellen sind mit Metallbändern in Reihe geschaltet. Zum Laden von 12 V-Akkus werden 36 Zellen mit ca. 0,5 V vakuumlaminiert zwischen Glas und einer Polymermetallrückseite. Das Glas kann eine strukturierte Oberfläche haben, um Licht einzufangen.
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]
RÜCKBLICK:
- 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
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