Diodos para fins especiais
Diodos Schottky
S diodos chottky são construídos de um metal junção -para-N em vez de uma junção de semicondutor P-N. Também conhecido como hot-carrier diodos, os diodos Schottky são caracterizados por tempos de comutação rápidos (baixo tempo de recuperação reversa), baixa queda de tensão direta (normalmente 0,25 a 0,4 volts para uma junção de metal-silício) e baixa capacitância de junção.
O símbolo esquemático para um diodo Schottky é mostrado na figura abaixo.
Símbolo esquemático do diodo Schottky.
Vantagens e desvantagens dos diodos Schottky
A queda de tensão direta (VF), o tempo de recuperação reversa (trr) e a capacitância da junção (CJ) dos diodos Schottky estão mais próximos do ideal do que o diodo “retificador” médio. Isso os torna adequados para aplicações de alta frequência. Infelizmente, porém, os diodos Schottky normalmente têm classificações de corrente direta (IF) e tensão reversa (VRRM e VDC) mais baixas do que os diodos de retificação e, portanto, são inadequados para aplicações que envolvem quantidades substanciais de energia. Embora sejam usados em fontes de alimentação de reguladores de comutação de baixa tensão.
Aplicações de diodos Schottky
A tecnologia de diodo Schottky encontra ampla aplicação em circuitos de computador de alta velocidade, onde o tempo de comutação rápido equivale à capacidade de alta velocidade e a baixa queda de tensão direta equivale a menos dissipação de energia durante a condução.
As fontes de alimentação do regulador de comutação operando a 100 kHz não podem usar diodos de silício convencionais como retificadores por causa de sua velocidade de comutação lenta. Quando o sinal aplicado a um diodo muda de polarização direta para reversa, a condução continua por um curto período, enquanto as portadoras são varridas para fora da região de depleção. A condução só cessa após este tr tempo de recuperação reversa expirou. Os diodos Schottky têm um tempo de recuperação reversa mais curto.
Independentemente da velocidade de chaveamento, a queda de tensão direta de 0,7 V dos diodos de silício causa baixa eficiência em fontes de baixa tensão. Isso não é um problema em, digamos, uma fonte de 10 V. Em uma alimentação de 1 V, a queda de 0,7 V é uma parte substancial da saída. Uma solução é usar um diodo de potência Schottky, que tem uma queda direta mais baixa.
Diodos de túnel
Diodos de túnel explorar um estranho fenômeno quântico chamado tunelamento ressonante para fornecer características de polarização direta de resistência negativa. Quando uma pequena tensão de polarização direta é aplicada em um diodo de túnel, ela começa a conduzir corrente. (Figura abaixo (b)) Conforme a tensão é aumentada, a corrente aumenta e atinge um valor de pico chamado de corrente de pico (IP). Se a tensão aumentar um pouco mais, a corrente realmente começa a diminuir até atingir um ponto baixo chamado de corrente do vale (4). Se a tensão aumentar ainda mais, a corrente começa a aumentar novamente, desta vez sem diminuir para outro "vale". O símbolo esquemático para o diodo túnel mostrado na figura (a) abaixo.
Diodo túnel (a) Símbolo esquemático. (b) Gráfico de corrente vs tensão (c) Oscilador.
As tensões diretas necessárias para conduzir um diodo de túnel às suas correntes de pico e vale são conhecidas como tensão de pico (VP) e tensão de vale (VV), respectivamente. A região no gráfico onde a corrente está diminuindo enquanto a tensão aplicada está aumentando (entre VP e VV na escala horizontal) é conhecida como a região de resistência negativa .
Diodos de túnel, também conhecidos como diodos Esaki em homenagem ao seu inventor japonês Leo Esaki, são capazes de fazer a transição entre os níveis de corrente de pico e vale muito rapidamente, “alternando” entre os estados de condução alto e baixo muito mais rápido do que os diodos Schottky. As características do diodo em túnel também não são afetadas por mudanças de temperatura.
Tensão de ruptura reversa versus nível de dopagem. Depois de Sze [SGG]
Características dos diodos do túnel
Os diodos do túnel são fortemente dopados nas regiões P e N, 1000 vezes o nível em um retificador. Isso pode ser visto na figura acima. Os diodos padrão estão à extrema esquerda, os diodos zener próximos à esquerda e os diodos de túnel à direita da linha tracejada. O doping pesado produz uma região de depleção excepcionalmente fina. Isso produz uma tensão de ruptura reversa incomumente baixa com alto vazamento. A região de depleção fina causa alta capacitância. Para superar isso, a área de junção do diodo do túnel deve ser minúscula.
A característica do diodo direto consiste em duas regiões:uma característica normal do diodo direto com a corrente aumentando exponencialmente além de VF, 0,3 V para Ge, 0,7 V para Si.
Entre 0 V e VF está um pico adicional característico de “resistência negativa”. Isso se deve ao tunelamento mecânico quântico envolvendo a natureza de onda de partícula dupla dos elétrons. A região de depleção é fina o suficiente em comparação com o comprimento de onda equivalente do elétron através do qual eles podem fazer um túnel. Eles não precisam superar a tensão normal do diodo direto VF. O nível de energia da banda de condução do material do tipo N se sobrepõe ao nível da banda de valência na região do tipo P. Com o aumento da tensão, o tunelamento começa; os níveis se sobrepõem; a corrente aumenta, até certo ponto. À medida que a corrente aumenta ainda mais, os níveis de energia se sobrepõem menos; a corrente diminui com o aumento da tensão. Esta é a porção de “resistência negativa” da curva.
Aplicações de diodos de túnel
Os diodos de túnel não são bons retificadores, pois eles têm uma corrente de “fuga” relativamente alta quando polarizados reversamente. Conseqüentemente, eles encontram aplicação apenas em circuitos especiais onde seu efeito de túnel exclusivo tem valor. Para explorar o efeito túnel, esses diodos são mantidos em uma tensão de polarização em algum lugar entre os níveis de tensão de pico e vale, sempre em uma polaridade polarizada para frente (ânodo positivo e cátodo negativo).
Talvez a aplicação mais comum de um diodo de túnel seja em circuitos osciladores de alta frequência simples como na figura (c) acima, onde permite que uma fonte de tensão DC contribua com energia para um circuito LC “tanque”, o diodo conduzindo quando a tensão através dele atinge o nível de pico (túnel) e isola efetivamente em todas as outras tensões. Os resistores polarizam o diodo do túnel em alguns décimos de volt centrados na porção de resistência negativa da curva característica. O circuito ressonante L-C pode ser uma seção de um guia de ondas para operação de microondas. Oscilação até 5 GHz é possível.
História dos diodos de túnel
Ao mesmo tempo, o diodo túnel era o único amplificador de micro-ondas de estado sólido disponível. Os diodos de túnel eram populares a partir da década de 1960. Eles viveram mais do que os amplificadores de tubo de ondas viajantes, uma consideração importante em transmissores de satélite. Os diodos do túnel também são resistentes à radiação por causa do forte doping.
Hoje, vários transistores operam em frequências de micro-ondas. Mesmo pequenos diodos de túnel de sinal são caros e difíceis de encontrar hoje. Resta um fabricante de diodos de túnel de germânio e nenhum para dispositivos de silício. Às vezes, são usados em equipamentos militares porque são insensíveis à radiação e às grandes mudanças de temperatura.
Tem havido alguma pesquisa envolvendo a possível integração de diodos de túnel de silício em circuitos integrados CMOS. Eles são pensados para serem capazes de chavear a 100 GHz em circuitos digitais. O único fabricante de dispositivos de germânio os produz um de cada vez. Um processo em lote para diodos túnel de silício deve ser desenvolvido e, em seguida, integrado aos processos CMOS convencionais. [SZL]
O diodo de túnel de Esaki não deve ser confundido com o diodo de tunelamento ressonante CH 2, de construção mais complexa a partir de semicondutores compostos. O RTD é um desenvolvimento mais recente capaz de alta velocidade.
Diodos emissores de luz
Princípio da Emissão de Energia Radiante
Os diodos, como todos os dispositivos semicondutores, são governados pelos princípios descritos na física quântica. Um desses princípios é a emissão de energia radiante de frequência específica sempre que os elétrons caem de um nível de energia superior para um nível de energia inferior.
Este é o mesmo princípio em funcionamento em uma lâmpada de néon, o brilho rosa-alaranjado característico do néon ionizado devido às transições de energia específicas de seus elétrons no meio de uma corrente elétrica. A cor única do brilho de uma lâmpada de néon se deve ao fato de que seu néon gás dentro do tubo, e não devido à quantidade particular de corrente através do tubo ou tensão entre os dois eletrodos. O gás neon brilha na cor laranja-rosada em uma ampla gama de tensões e correntes ionizantes. Cada elemento químico tem sua própria emissão de “assinatura” de energia radiante quando seus elétrons “saltam” entre diferentes níveis de energia quantizados. O gás hidrogênio, por exemplo, brilha em vermelho quando ionizado; o vapor de mercúrio brilha em azul. É isso que torna possível a identificação espectrográfica dos elementos.
Emissão de energia radiante em LEDs
Os elétrons que fluem através de uma junção PN experimentam transições semelhantes no nível de energia e emitem energia radiante ao fazê-lo. A frequência dessa energia radiante é determinada pela estrutura cristalina do material semicondutor e pelos elementos que o compõem. Algumas junções semicondutoras, compostas de combinações químicas especiais, emitem energia radiante dentro do espectro da luz visível à medida que os elétrons mudam os níveis de energia. Simplificando, essas junções brilham quando inclinado para a frente. Um diodo intencionalmente projetado para brilhar como uma lâmpada é chamado de diodo emissor de luz ou LED .
Eletroluminescência
Os diodos de silício polarizados para frente emitem calor como elétrons e lacunas das regiões do tipo N e do tipo P, respectivamente, se recombinam na junção. Em um LED com polarização direta, a recombinação de elétrons e lacunas na região ativa na Figura (c) abaixo produz fótons. Este processo é conhecido como eletroluminescência . Para emitir fótons, a barreira de potencial através da qual os elétrons caem deve ser maior do que a de um diodo de silício. A queda do diodo direto pode variar até alguns volts para alguns LEDs coloridos.
Díodos feitos de uma combinação dos elementos gálio, arsênio e fósforo (chamados de fosforeto de arseneto de gálio ) brilham em vermelho brilhante e são alguns dos LEDs mais comuns fabricados. Ao alterar a constituição química da junção PN, cores diferentes podem ser obtidas. As primeiras gerações de LEDs eram vermelho, verde, amarelo, laranja e infravermelho; as gerações posteriores incluíam o azul e o ultravioleta, com o violeta sendo a cor mais recente adicionada à seleção. Outras cores podem ser obtidas combinando dois ou mais LEDs de cores primárias (vermelho, verde e azul) no mesmo pacote, compartilhando a mesma lente óptica. Isso permitiu LEDs multicoloridos, como LEDs tricolores (disponíveis comercialmente na década de 1980) usando vermelho e verde (que pode criar amarelo) e LEDs RGB posteriores (vermelho, verde e azul), que cobrem todo o espectro de cores.
Símbolo esquemático para LEDs
O símbolo esquemático para um LED é uma forma regular de diodo dentro de um círculo, com duas pequenas setas apontando para fora (indicando a luz emitida), mostrado na Figura (a) abaixo.
LED, Diodo Emissor de Luz:(a) símbolo esquemático. (b) O lado plano e o cabo curto do dispositivo correspondem ao cátodo, bem como a disposição interna do cátodo. (c) Seção transversal do dado Led.
Esta notação de ter duas pequenas setas apontando para longe do dispositivo é comum aos símbolos esquemáticos de todos os dispositivos semicondutores emissores de luz. Por outro lado, se um dispositivo for leve- ativado (o que significa que a luz que entra o estimula), então o símbolo terá duas pequenas setas apontando em direção a isto. Os LEDs podem detectar a luz. Eles geram uma pequena voltagem quando expostos à luz, como uma célula solar em pequena escala. Esta propriedade pode ser aplicada de forma lucrativa em uma variedade de circuitos de detecção de luz.
Operação de diodo emissor de luz
Como os LEDs são feitos de substâncias químicas diferentes dos diodos de silício, suas quedas de tensão direta serão diferentes. Normalmente, os LEDs têm quedas de tensão direta muito maiores do que os diodos de retificação, algo em torno de 1,6 volts a mais de 3 volts, dependendo da cor. A corrente operacional típica para um LED de tamanho padrão é de cerca de 20 mA. Ao operar um LED de uma fonte de tensão DC maior do que a tensão direta do LED, um resistor de "queda" conectado em série deve ser incluído para evitar que a tensão da fonte total danifique o LED. Considere o circuito de exemplo na Figura (a) abaixo usando uma fonte de 6 V.
Configurando a corrente do LED em 20 ma. (a) para uma fonte de 6 V, (b) para uma fonte de 24 V.
Com o LED caindo 1,6 volts, haverá uma queda de 4,4 volts no resistor. Dimensionar o resistor para uma corrente de LED de 20 mA é tão simples quanto pegar sua queda de tensão (4,4 volts) e dividir pela corrente do circuito (20 mA), de acordo com a Lei de Ohm (R =E / I). Isso nos dá um valor de 220 Ω.
Calculando a dissipação de potência para este resistor de 220 Ω, pegamos sua queda de tensão e multiplicamos por sua corrente (P =IE), e terminamos com 88 mW, bem dentro da classificação de um resistor de 1/8 watt.
Tensões de bateria mais altas exigirão resistores de queda de valor maior e, possivelmente, resistores de classificação de potência mais alta também. Considere o exemplo na Figura (b) acima para uma tensão de alimentação de 24 volts:
Aqui, o resistor de queda deve ser aumentado para 1,12 kΩ para diminuir 22,4 volts a 20 mA, de forma que o LED ainda receba apenas 1,6 volts. Isso também contribui para uma dissipação de potência do resistor mais alta:448 mW, quase meio watt de potência! Obviamente, um resistor classificado para dissipação de potência de 1/8 watt ou mesmo dissipação de 1/4 watt superaquecerá se usado aqui.
Queda de resistores em circuitos de LED
Os valores do resistor de queda não precisam ser precisos para circuitos de LED. Suponha que usássemos um resistor de 1 kΩ em vez de um resistor de 1,12 kΩ no circuito mostrado acima. O resultado seria uma corrente de circuito ligeiramente maior e queda de tensão do LED, resultando em uma luz mais brilhante do LED e uma vida útil ligeiramente reduzida. Uma queda do resistor com muita resistência (digamos, 1,5 kΩ em vez de 1,12 kΩ) resultará em menos corrente de circuito, menos tensão de LED e uma luz mais fraca. Os LEDs são bastante tolerantes à variação na potência aplicada, portanto, você não precisa se esforçar para alcançar a perfeição no dimensionamento do resistor de queda.
Múltiplos LEDs em um circuito
Às vezes, vários LEDs são necessários, digamos, na iluminação. Se os LEDs forem operados em paralelo, cada um deve ter seu próprio resistor limitador de corrente, como na Figura (a) abaixo, para garantir que as correntes se dividam de forma mais igual. No entanto, é mais eficiente operar LEDs em série (Figura (b) abaixo com um único resistor de queda. Conforme o número de LEDs em série aumenta, o valor do resistor em série deve diminuir para manter a corrente, até um ponto. O número de LEDs em série (Vf) não pode exceder a capacidade da fonte de alimentação. Cadeias de séries múltiplas podem ser empregadas como na Figura (c) abaixo.
Apesar de equalizar as correntes em vários LEDs, o brilho dos dispositivos pode não coincidir devido a variações nas partes individuais. As peças podem ser selecionadas para correspondência de brilho para aplicações críticas.
LEDs múltiplos:(a) em paralelo, (b) em série, (c) paralelo em série
Também por causa de sua composição química única, os LEDs têm classificações de tensão de pico inversa (PIV) muito, muito mais baixas do que os diodos retificadores comuns. Um LED típico pode ter apenas 5 volts no modo de polarização reversa. Portanto, ao usar corrente alternada para alimentar um LED, conecte um diodo retificador de proteção antiparalelo ao LED para evitar a interrupção reversa a cada meio-ciclo, como na Figura (a) abaixo.
Conduzindo um LED com AC
O diodo antiparalelo na Figura (a) acima pode ser substituído por um LED antiparalelo. O par resultante de LEDs anti-paralelos acende em meio-ciclos alternados da onda sinusoidal AC. Esta configuração consome 20 mA, dividindo-o igualmente entre os LEDs em semiciclos alternados de CA. Cada LED recebe apenas 10 mA devido a esse compartilhamento. O mesmo é verdade para a combinação anti-paralela de LED com um retificador. O LED recebe apenas 10 ma. Se 20 mA fosse necessário para o (s) LED (s), o valor do resistor poderia ser reduzido à metade.
Especificações típicas de LEDs
A queda de tensão direta dos LEDs é inversamente proporcional ao comprimento de onda (λ). À medida que o comprimento de onda diminui, passando do infravermelho para as cores visíveis e para o ultravioleta, Vf aumenta. Embora essa tendência seja mais óbvia nos vários dispositivos de um único fabricante, a faixa de voltagem para um LED de cor particular de vários fabricantes varia. Essa faixa de tensões é mostrada na tabela a seguir.
Propriedades ópticas e elétricas dos LEDs
LEDs versus lâmpadas incandescentes
Como lâmpadas, os LEDs são superiores às lâmpadas incandescentes em muitos aspectos.
Em primeiro lugar, é a eficiência:os LEDs emitem muito mais potência de luz por watt de entrada elétrica do que uma lâmpada incandescente. Esta é uma vantagem significativa se o circuito em questão for alimentado por bateria, a eficiência se traduzindo em uma vida útil mais longa da bateria.
Em segundo lugar, está o fato de que os LEDs são muito mais confiáveis, tendo uma vida útil muito maior do que as lâmpadas incandescentes. Isso porque os LEDs são dispositivos “frios”:eles operam em temperaturas muito mais baixas do que uma lâmpada incandescente com um filamento de metal incandescente, suscetível à quebra por choque mecânico e térmico.
O terceiro é a alta velocidade em que os LEDs podem ser ligados e desligados. Esta vantagem também se deve à operação "a frio" dos LEDs:eles não precisam superar a inércia térmica na transição de desligado para ligado ou vice-versa. Por esse motivo, os LEDs são usados para transmitir informações digitais (liga / desliga) na forma de pulsos de luz, conduzidos no espaço vazio ou por meio de cabos de fibra ótica, em velocidades altíssimas (milhões de pulsos por segundo).
Os LEDs se destacam em aplicações de iluminação monocromática, como sinais de trânsito e lanternas traseiras automotivas. Incandescentes são péssimos nesta aplicação, pois requerem filtragem, diminuindo a eficiência. Os LEDs não requerem filtragem.
Desvantagens dos LEDs
Uma grande desvantagem de usar LEDs como fontes de iluminação é sua emissão monocromática (cor única). Ninguém quer ler um livro à luz de um LED vermelho, verde ou azul. No entanto, se usado em combinação, as cores do LED podem ser misturadas para um brilho de espectro mais amplo. Uma nova fonte de luz de amplo espectro é o LED branco. Embora pequenos indicadores de painel branco estejam disponíveis há muitos anos, dispositivos de grau de iluminação ainda estão em desenvolvimento.
Eficiência e vida útil de LEDs e iluminações diferentes
Eficiência de iluminação
Um LED branco é um LED azul que excita um fósforo que emite luz amarela. O azul e o amarelo aproximam-se da luz branca. A natureza do fósforo determina as características da luz. Um fósforo vermelho pode ser adicionado para melhorar a qualidade da mistura de amarelo e azul em detrimento da eficiência. A tabela acima compara os LEDs de iluminação branca com dispositivos futuros esperados e outras lâmpadas convencionais. A eficiência é medida em lúmens de saída de luz por watt de potência de entrada. Se o dispositivo de 50 lumens / watt puder ser melhorado para 100 lumens / watt, os LEDs brancos serão comparáveis às lâmpadas fluorescentes compactas em eficiência.
História dos LEDs
Os LEDs em geral têm sido um assunto importante de P&D desde 1960. Por isso, é impraticável cobrir todas as geometrias, químicas e características que foram criadas ao longo das décadas. Os primeiros dispositivos eram relativamente escuros e recebiam correntes moderadas. As eficiências foram aprimoradas nas gerações posteriores a ponto de ser perigoso olhar de perto e diretamente para um LED iluminado. Isso pode resultar em danos aos olhos, e os LEDs exigiram apenas um pequeno aumento na queda de tensão (Vf) e corrente. Dispositivos modernos de alta intensidade atingiram 180 lumens usando 0,7 Amps (82 lumens / watt, série Luxeon Rebel branco frio), e modelos de intensidade ainda mais alta podem usar correntes ainda mais altas com um aumento correspondente no brilho. Outros desenvolvimentos, como os pontos quânticos, são o assunto da pesquisa atual, então espere ver coisas novas para esses dispositivos no futuro
Díodos laser
Lasers
O diodo laser é um desenvolvimento posterior do diodo emissor de luz regular, ou LED. O próprio termo “laser” é na verdade um acrônimo, apesar do fato de ser frequentemente escrito em letras minúsculas. “Laser” significa L ight A amplificação por S timulado E missão de R e se refere a outro processo quântico estranho pelo qual a luz característica emitida por elétrons caindo de estados de energia de alto nível para baixo nível em um material estimulam outros elétrons em uma substância a fazer "saltos" semelhantes, sendo o resultado uma saída sincronizada de luz do material. Esta sincronização se estende até a fase real da luz emitida, de modo que todas as ondas de luz emitidas por um material “laser” não tenham apenas a mesma frequência (cor), mas também a mesma fase entre si, de modo que se reforcem e sejam capazes de viajar em um muito feixe estreitamente confinado e não dispersivo. É por isso que a luz do laser permanece tão focada em longas distâncias:toda e qualquer onda de luz proveniente do laser está em sintonia uma com a outra.
(a) Luz branca de muitos comprimentos de onda. (b) Luz LED monocromática, um único comprimento de onda. (c) Luz laser com coerência de fase.
Lâmpadas incandescentes produzem luz “branca” (frequência mista ou cor mista) como na figura (a) acima. LEDs regulares produzem luz monocromática:mesma frequência (cor), mas fases diferentes, resultando em dispersão de feixe semelhante na figura (b). LEDs de laser produzem luz coerente :luz que é tanto monocromática (uma cor) quanto monofásica (monofásica), resultando em um confinamento preciso do feixe como na figura (c).
A luz laser encontra ampla aplicação no mundo moderno:tudo desde levantamentos, onde um feixe de luz direto e não dispersivo é muito útil para a visualização precisa de marcadores de medição, até a leitura e escrita de discos ópticos, onde apenas a estreiteza de um laser focalizado O feixe é capaz de resolver os “buracos” microscópicos na superfície do disco que compreendem os 1's e 0's binários da informação digital.
Alguns diodos de laser requerem circuitos especiais “pulsantes” de alta potência para fornecer grandes quantidades de voltagem e corrente em rajadas curtas. Outros diodos de laser podem ser operados continuamente em baixa potência. No laser contínuo, a ação do laser ocorre apenas dentro de uma certa faixa de corrente do diodo, necessitando de alguma forma de circuito regulador de corrente. Conforme os diodos de laser envelhecem, seus requisitos de energia podem mudar (mais corrente necessária para menos potência de saída), mas deve-se lembrar que os diodos de laser de baixa potência, como LEDs, são dispositivos de vida bastante longa, com vida útil típica de dezenas de milhares de horas.
Fotodiodos
Um fotodiodo é um diodo otimizado para produzir um fluxo de corrente de elétrons em resposta à irradiação de luz ultravioleta, visível ou infravermelha. O silício é mais frequentemente usado para fabricar fotodiodos; entretanto, germânio e arsenieto de gálio podem ser usados. A junção pela qual a luz entra no semicondutor deve ser fina o suficiente para passar a maior parte da luz para a região ativa (região de depleção) onde a luz é convertida em pares de elétrons.
Na figura abaixo, uma difusão rasa do tipo P em um wafer do tipo N produz uma junção PN perto da superfície do wafer. A camada do tipo P precisa ser fina para passar o máximo de luz possível. Uma forte difusão de N + no verso do wafer faz contato com a metalização. A metalização superior pode ser uma grade fina de dedos metálicos na parte superior do wafer para células grandes. Em fotodiodos pequenos, o contato superior pode ser um único fio de ligação em contato com o topo de silício tipo P desencapado.
Fotodiodo:símbolo esquemático e seção transversal.
Como funcionam os fotodiodos?
A intensidade da luz que entra no topo da pilha de fotodíodos diminui exponencialmente em função da profundidade. Uma fina camada superior do tipo P permite que a maioria dos fótons passe para a região de depleção onde os pares elétron-buraco são formados. O campo elétrico através da região de depleção devido ao potencial de diodo embutido faz com que os elétrons sejam varridos para a camada N, buracos na camada P.
Na verdade, os pares de elétron-buraco podem ser formados em qualquer uma das regiões semicondutoras. No entanto, aqueles formados na região de depleção são mais provavelmente separados nas respectivas regiões N e P. Muitos dos pares elétron-buraco formados nas regiões P e N se recombinam. Apenas alguns o fazem na região de esgotamento. Assim, alguns pares de elétron-buraco nas regiões N e P, e a maioria na região de depleção contribuem para a fotocorrente , aquela corrente resultante da luz incidindo sobre o fotodiodo.
Operação de fotodiodo
A tensão de um fotodiodo pode ser observada. Operação neste fotovoltaico O modo (PV) não é linear em uma grande faixa dinâmica, embora seja sensível e tenha baixo ruído em frequências menores que 100 kHz. O modo de operação preferencial geralmente é fotocorrente (PC) modo porque a corrente é linearmente proporcional ao fluxo de luz ao longo de várias décadas de intensidade, e uma resposta de frequência mais alta pode ser alcançada. O modo PC é obtido com polarização reversa ou polarização zero no fotodiodo. Um amplificador de corrente (amplificador de transimpedância) deve ser usado com um fotodiodo no modo PC. A linearidade e o modo PC são alcançados desde que o diodo não seja polarizado diretamente.
Freqüentemente, a operação em alta velocidade é necessária para fotodiodos, ao contrário de células solares. A velocidade é uma função da capacitância do diodo, que pode ser minimizada diminuindo a área da célula. Assim, um sensor para um link de fibra óptica de alta velocidade usará uma área não maior do que o necessário, digamos 1 mm2. A capacitância também pode ser diminuída aumentando a espessura da região de depleção, no processo de fabricação ou aumentando a polarização reversa no diodo.
Diferentes tipos de diodos de PIN
diodo PIN O diodo p-i-n ou diodo PIN é um fotodiodo com uma camada intrínseca entre as regiões P e N como na figura abaixo. O P - I ntrínseco- N A estrutura aumenta a distância entre as camadas condutoras P e N, diminuindo a capacitância, aumentando a velocidade. O volume da região fotossensível também aumenta, melhorando a eficiência da conversão. A largura de banda pode se estender até 10 gHz. Os fotodiodos PIN são os preferidos para alta sensibilidade e alta velocidade a um custo moderado.
Fotodiodo PIN:A região intrínseca aumenta a espessura da região de depleção.
Diodo de foto Avalanche: Um fotodiodo de avalanche (APD) projetado para operar em polarização reversa alta exibe um efeito multiplicador de elétrons análogo a um tubo fotomultiplicador. A polarização reversa pode ir de 10 volts a quase 2.000 V. O alto nível de polarização reversa acelera pares de elétrons-lacunas criados por fótons na região intrínseca a uma velocidade alta o suficiente para liberar portadores adicionais de colisões com a rede cristalina. Assim, o resultado são muitos elétrons por fóton. A motivação para o APD é obter amplificação dentro do fotodiodo para superar o ruído em amplificadores externos. Isso funciona até certo ponto. No entanto, o APD cria ruído próprio. Em alta velocidade, o APD é superior a uma combinação de amplificador de diodo PIN, embora não para aplicações de baixa velocidade. APDs são caros, quase o preço de um tubo fotomultiplicador. Portanto, eles são competitivos apenas com fotodiodos PIN para aplicações de nicho. Uma dessas aplicações é a contagem de fóton único aplicada à física nuclear.
Células solares
Um fotodiodo otimizado para fornecer energia de maneira eficiente a uma carga é a célula solar . Ele opera no modo fotovoltaico (PV) porque é polarizado diretamente pela tensão desenvolvida através da resistência de carga.
Células solares monocristalinas
As células solares monocristalinas são fabricadas em um processo semelhante ao processamento de semicondutores. Isso envolve o crescimento de um boule de cristal único a partir de silício fundido de alta pureza (tipo P), embora não tão de alta pureza quanto para semicondutores. O boule é diamante serrado ou fio serrado em wafers. As pontas da boule devem ser descartadas ou recicladas, e o silício é perdido no corte da serra. Como as células modernas são quase quadradas, o silício se perde na quadratura do boule. As células podem ser gravadas para texturizar (tornar aspereza) a superfície para ajudar a reter a luz dentro da célula. Uma quantidade considerável de silício é perdida na produção dos wafers quadrados de 10 ou 15 cm. Hoje em dia (2007), é comum que um fabricante de células solares compre os wafers nesta fase de um fornecedor da indústria de semicondutores.
Componentes de célula solar
Wafers tipo P são carregados costas com costas em barcos de sílica fundida, expondo apenas a superfície externa ao dopante tipo N no forno de difusão. O processo de difusão forma uma camada fina do tipo n na parte superior da célula. A difusão também encurta as bordas da célula da frente para trás. A periferia deve ser removida por ataque de plasma para descorticar a célula. A pasta de prata e / ou de alumínio é filtrada na parte de trás da célula e uma grade de prata na frente. Estes são sinterizados em um forno para um bom contato elétrico. (Figura abaixo)
As células são conectadas em série com fitas de metal. Para carregar baterias de 12 V, 36 células em aproximadamente 0,5 V são laminadas a vácuo entre o vidro e uma parte traseira de metal polimérico. O vidro pode ter uma superfície texturizada para ajudar a reter a luz.
Célula solar de silício
As células solares de silício de cristal único comercial de alta eficiência (21,5%) têm todos os contatos na parte de trás da célula. A área ativa da célula é aumentada movendo os condutores de contato superiores (-) para a parte de trás da célula. Os contatos superiores (-) são normalmente feitos no silício tipo N no topo da célula. 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]
REVER:
- 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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