Полупроводниковые диоды и их характеристики
Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного -перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в-переходе.
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Для них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь-перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные -переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая — высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении -перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина -перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то -переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.
Вольт-амперные характеристики реальных диодов и -переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1. 6 ). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в — переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла.
Рисунок 1. 6 — Условное обозначение диода (а);
вольт-амперные характеристики (в):
1 — идеального-перехода, 2 – реального диода
Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1
Рисунок 1. 7 — Вольт-амперные характеристики германиевого (1),
кремниевого (2) диодов
Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.
Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.
Рисунок 1. 8 — Зависимость вида ВАХ диода от температуры
С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока. Прямое напряжение изменяется на 2. 1 мВ при изменении температуры на 1ºС.
Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.
В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:
— во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000. 1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100. 400 Вт;
— работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых — лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).
Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5. 2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.
Основные параметры выпрямительных диодов:
максимально допустимое обратное напряжение диода — значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;
средний выпрямленный ток диода — среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;
импульсный прямой ток диода — пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;
средний обратный ток диода — среднее за период значение обратного тока;
среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;
средняя рассеиваемая мощность диода — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
дифференциальное сопротивление диода — отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Диоды Шоттки
Основой диода Шотки служит Mеталл-N-переход, а не уже привычный нам полупроводниковый P-N-переход. Также известны как диоды с горячими носителями заряда, для них характерно быстрое время переключения (малое время обратного восстановления), низкое прямое падение напряжения (обычно от 0,25 до 0,4 В для перехода металл-кремний) и низкая ёмкость перехода.
Преимущества и недостатки диодов Шоттки
Прямое падение напряжения (VF), время обратного восстановления (trr) и ёмкость перехода (CJ) диодов Шоттки ближе к идеальным значениям, чем у типичного выпрямителя. Это делает их подходящими для высокочастотных приложений. К сожалению, диоды Шоттки обычно имеют более низкие номинальные значения прямого тока (IF) и обратного напряжения (VRRM и VDC), чем выпрямительные диоды, и поэтому не подходят для приложений, требующих значительного количества энергии. Хотя они используются в низковольтных стабилизаторах для источников питания.
Применение диодов Шоттки
Данная технология находит широкое применение в высокоскоростных компьютерных схемах, где быстрое время переключения соответствует высокой скорости, а низкое прямое падение напряжения означает меньшее рассеивание мощности при проведении тока.
Источники питания импульсного стабилизатора, работающие на частоте 100 кГц, не могут использовать обычные кремниевые диоды в качестве выпрямителей из-за их низкой скорости переключения. Когда сигнал, подаваемый на диод, изменяется с прямого на обратное включение, проводимость наблюдается в течение короткого времени, в то время как носители заряда уже покинули область обеднения. Проводимость прекращает своё действие только по истечению времени обратного восстановления trr. У диодов Шоттки время обратного восстановления короче.
Независимо от скорости переключения прямое падение напряжения на кремниевых диодах на 0,7 В приводит к снижению эффективности источников питания с низким напряжением. Это не проблема, скажем, при питании 10 В. При питании 1 В падение 0,7 В составляет значительную часть выходной мощности. Одним из решений является использование силового диода Шоттки с меньшим прямым падением.
Туннельные диоды
Туннельные диоды используют такое экстравагантное квантовое явление, как резонансное туннелирование, что позволяет обеспечить отрицательным сопротивлением участки прямого смещения вольт-амперных характеристик. Когда на туннельный диод подаётся небольшое прямое смещение, он начинает проводить ток (рисунок 2. б ниже). По мере увеличения напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого пиковым током (IP). Если напряжение увеличивается ещё немного, ток фактически начинает уменьшаться, пока не достигнет нижней точки, называемой током впадины (IV). Если напряжение ещё больше увеличивается, ток снова начинает увеличиваться, на этот раз не снижаясь в новую «долину смерти»:
Прямые напряжения, необходимые для управления туннельным диодом током в пределах его пикового и минимального значений, известны как пиковое напряжение (VP) и минимальное напряжение (VV), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается, а приложенное напряжение увеличивается (между VP и VV по горизонтальной шкале), называется областью отрицательного дифференциального сопротивления.
Туннельные диоды, также известны как диоды Эсаки (названы так в честь японского инженера Лео Эсаки, который их изобрёл), способны очень быстро переключаться между пиковыми и минимальными уровнями тока, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее, чем даже диоды Шоттки. На характеристики туннельного диода изменения температуры влияют несильно.
Характеристики туннельных диодов
Туннельные диоды сильно легированы как в P-, так и в N-областях, этот показатель в тысячи раз превышает уровень стандартного выпрямителя. Это показано на рисунке 3 выше. Стандартные диоды относятся к левой части графика, стабилитроны несколько правее, а туннельные диоды – справа от пунктирной линии. Сильное легирование даёт необычно тонкую обеднённую область. Это создаёт атипично низкое напряжение обратного пробоя с высоким током утечки. Тонкая обеднённая область приводит к высокой ёмкости. Чтобы это предотвратить, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной.
Кривая вольт-амперной характеристики диода состоит из двух областей: нормальная прямая ВА-характеристика диода + экспоненциально возрастающий ток при превышении VF определённого значения (0,3 В для германия, 0,7 В для кремния).
Между 0 В и VF находится дополнительный характеристический пик «отрицательного сопротивления». Это происходит из-за квантово-механического туннелирования, связанного с корпускулярно-волновым дуализмом электронов. Область обеднения достаточно тонкая по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, через которую они могут туннелировать. Им не нужно преодолевать нормальное прямое напряжение на диоде VF. Уровень энергии зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа. С повышением напряжения начинается туннелирование; уровни перекрываются; ток увеличивается до определённого предела. При дальнейшем увеличении тока уровни энергии перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения. Это часть «отрицательного сопротивления» на кривой.
Применение туннельных диодов
Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, поскольку имеют относительно высокий ток утечки при обратном включении. А значит, они находят применение только в специализированных схемах, где применим их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, в этих диодах поддерживается напряжение смещения где-то между пиковым и минимальным уровнями напряжения, всегда с прямым смещением полярности (положительный анод и отрицательный катод).
Пожалуй, наиболее распространённое применение туннельного диода – это простые схемы высокочастотного осциллятора, как на рисунке 2. в выше, где он позволяет источнику постоянного напряжения запасать мощность в LC-«резервуаре». Диод проводит ток, когда напряжение на нём достигает пикового (туннельного) уровня и эффективно изолирует ток при любых других напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых вольта с центром на участке отрицательного сопротивления характеристической кривой. Резонансный LC-контур может быть частью волновода для работы в микроволновом режиме. Возможны колебания до 5 ГГц.
История туннельных диодов
Когда-то туннельный диод был единственным доступным твердотельным СВЧ-усилителем. Туннельные диоды стали популярны с 1960-х годов. Они более долговечными, чем ламповые усилители бегущей волны, что важно для спутниковых передатчиков. Туннельные диоды также устойчивы к облучению из-за сильного легирования.
Сегодня различные транзисторы работают на сверхвысоких частотах. Даже слаботочные туннельные диоды не отбивают экономических затрат, и поэтому на сегодняшний день их применение крайне редко. Остался только один производитель германиевых туннельных диодов, кремниевые устройства уже сейчас не выпускает никто. Иногда их используют в военной технике, поскольку они нечувствительны к радиации и большим перепадам температуры.
Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные CMOS-схемы. Считается, что они могут переключаться на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их поштучно на заказ. Необходимо разрабатывать пакетный процесс для кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его с обычными CMOS -процессами.
Туннельный диод Эсаки не следует путать с резонансным туннельным диодом (рассмотренный в предыдущей главе в разделе «Квантовые устройства») – более сложной конструкции из непростых полупроводников. Резонансный туннельный диод – более поздняя разработка, способная работать с более высокой скоростью.
Светодиоды
Диод, как и всякое полупроводниковое устройство, подчиняется принципам, описанным в квантовой физике. Один из этих принципов – излучение лучистой энергии определённой частоты каждый раз, когда электроны с более высокого энергетического уровня опускаются на более низкий.
На том же принципе работает и неоновые лампы. Характерное розово-оранжевое свечение ионизированного неона связано со специфическими энергетическими переходами электронов в среде электрического тока. Характерный цвет свечения неоновой лампы обусловлен именно тем фактом, что неоновый газ находится внутри трубки, а не из-за определённого количества тока в трубке или напряжения между двумя электродами. Неоновый газ испускает розовато-оранжевое свечение в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент имеет свою собственную «сигнатуру» излучения лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными квантованными уровнями энергии. Например, газообразный водород при ионизации светится красным светом; пары ртути светятся синим светом. Благодаря этому возможна спектрографическая идентификация элементов (благодаря чему, в частности, можно удалённо определять химический состав звёзд).
Излучение лучистой энергии в светодиодах
Электроны, протекающие через P-N-переход, испытывают аналогичные переходы на энергетическом уровне и при этом излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и составляющими его элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из особых химических комбинаций, излучают лучистую энергию в спектре видимого света, когда электроны меняют уровни энергии. Проще говоря, эти переходы светятся при прямом включении. Диод, специально спроектированный так, чтобы светиться как лампа, называется светоизлучающим диодом или просто светодиодом или вообще сокращённо LED (от англ. Light-emitting diodes).
Электролюминесценция
Кремниевые диоды с прямым включением выделяют тепло, когда электрон и «дырки» из областей N- и P-типа соответственно рекомбинируют в переходе. В светодиодах с прямым включением рекомбинация электронов и «дырок» в активной области на рисунке 4. в ниже испускает фотоны. Этот процесс известен как электролюминесценция. Чтобы испускать фотоны, потенциальный барьер, через который проникают электроны, должен быть выше, чем для кремниевого диода. Прямое падение напряжения на диоде может достигать нескольких вольт для некоторых цветных светодиодов.
Диоды, изготовленные из комбинации элементов галлия, мышьяка и фосфора (так называемый арсенид-фосфид галлия) светятся ярко-красным светом и являются одними из наиболее производимых светодиодов. Изменяя химический состав P-N-перехода, можно получить разные цвета. Ранние поколения светодиодов были красными, зелёными, жёлтыми, оранжевыми и инфракрасными, более поздние поколения включали синий и ультрафиолетовый, причем фиолетовый был последним цветом, добавленным к выборке цветов. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух или более светодиодов основного цвета (красного, зелёного и синего) в одном корпусе с использованием одной и той же оптической линзы. Это позволило использовать многоцветные светодиоды, такие как трёхцветные светодиоды (коммерчески доступные с 1980-х годов). Сначала для получения жёлтого использовали красный и зеленый цвета, а затем начали производить RGB-светодиоды, в которых комбинация красного, зелёного и синего выдаёт весь цветовой спектр.
Схематическое обозначение светодиодов
Схемный символ светодиода представляет собой символ диода правильной формы внутри круга с двумя маленькими стрелками, указывающими в сторону (символизирующими излучаемый свет):
Наличие на этом символе двух маленьких стрелок, указывающих в сторону от устройства, является общим для схематических обозначений всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство активируется светом (что означает, что входящий свет стимулирует работу такого устройства), тогда на символе будут две маленькие стрелки, указывающие на основной символ. Светодиоды могут также и воспринимать свет. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии света, это очень похоже на солнечную мини-батарею. Это свойство может с успехом применяться в различных светочувствительных схемах.
Принцип работы светоизлучающего диода
Поскольку светодиоды состоят из разных химических веществ, в отличие от кремниевых диодов, их прямое падение напряжения будет другим. Обычно светодиоды имеют гораздо большее прямое падение напряжения, чем выпрямители, от 1,6 до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типичный рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет около 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно подключённый понижающий резистор, чтобы предотвратить повреждение светодиода полным напряжением источника питания. Рассмотрим пример схемы с использованием источника на 6 В.
Если на светодиоде будет падение напряжения на 1,6 В, на резисторе будет 4,4 В. Подобрать резистор для тока светодиода 20 мА достаточно просто: нужно взять его падение напряжения (4,4 В) и разделить на силу тока в цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R = E/I). Это даёт нам цифру 220 Ом.
Чтобы вычислить рассеиваемую мощность для этого резистора 220 Ом, берём его падение напряжения и умножаем на его силу тока (P = IE), в результате чего получаем 88 мВт, что находится в номинальных пределах резистора, обычно рассчитанного на ⅛ Вт.
Более высокое напряжение батареи потребует понижающих резисторов большего номинала, а также, возможно, резисторов большей мощности. Рассмотрим пример на рисунке 5. б выше для напряжения питания 24 В:
В данном случае понижающий резистор должен быть увеличен до размера 1,12 кОм, чтобы обеспечить падение напряжения 22,4 вольт при 20 мА, так чтобы светодиод всё еще получал только 1,6 вольт. Это также способствует увеличению рассеиваемой мощности резистора: 448 мВт, почти половина от одного ватта мощности! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности ⅛ Вт или даже ¼ Вт, при использовании здесь будет перегреваться.
Понижающие резисторы в цепях светодиодов
Значения понижающего резистора для светодиодных цепей не обязательно должны быть точными. Предположим, мы должны были использовать резистор 1 кОм вместо резистора 1,12 кОм в схеме, показанной на рисунке 5 выше. В результате ток в цепи и падение напряжения на светодиодах немного увеличатся, что приведёт к более яркому свету светодиода и небольшому сокращению срока его службы. Падение напряжения на резисторе со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм вместо 1,12 кОм) приведёт к меньшему току цепи, меньшему напряжению светодиода и более тусклому свету. Светодиоды довольно устойчивы к колебаниям подаваемой мощности, поэтому вам не нужно стремиться к совершенству при подборе понижающего резистора.
Несколько светодиодов в цепи
Иногда требуется несколько светодиодов, например, при освещении. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный токоограничивающий резистор, как показано на рисунке 6. а ниже, для обеспечения более равномерного разделения токов. Однако более эффективно использовать светодиоды последовательно (рисунок 6. б ниже с одним понижающим резистором). По мере увеличения количества последовательно подключённых светодиодов значение последовательного резистора должно уменьшаться до определённого значения для поддержания тока. Количество последовательно включённых светодиодов (Vf) не может превышать возможности источника питания. Можно использовать несколько последовательных цепочек, как показано на рисунке 6. в ниже.
Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий в отдельных частях. Детали могут быть подобраны для согласования яркости там, где это критически важно.
Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкие значения пикового обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямители. Типичный светодиод может быть рассчитан только на 5 В в режиме обратного включения. Следовательно, при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите защитный выпрямительный диод встречно-параллельно светодиоду, чтобы предотвратить обратный пробой через каждые два полупериода:
Встречный светодиод и переменный ток
Встречно-параллельный диод на рисунке 7 выше можно заменить встречно-параллельным светодиодом. Получившаяся пара встречно-параллельных светодиодов загорается на чередующихся полупериодах синусоидального сигнала переменного тока. Эта конфигурация потребляет 20 мА, равномерно распределяя его между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного тока. Из-за этого разделения каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое можно достигнуть, скомбинировав встречно-параллельные светодиоды с выпрямителем. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода(-ов) требовалось 20 мА, значение резистора можно уменьшить вдвое.
Типовые характеристики светодиодов
Прямое падение напряжения на светодиодах обратно пропорционально длине световой волны (λ). По мере уменьшения длины волны от инфракрасного к видимому и ультрафиолетовому цветам Vf увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна для различных устройств от одного производителя, диапазон напряжений для светодиодов определённого цвета от разных производителей различается. Этот диапазон напряжений показан в таблице:
Оптические и электрические характеристики светодиодов
Светодиодλ, нм (= 10-9 м)VF (от)VF (до)
инфракрасный9401,21,7
красный6601,52,4
оранжевый602–6202,12,2
желтый, зеленый560–5951,72,8
белый, синий, фиолетовый34
ультрафиолетовый3704,24,8
Светодиоды или лампы накаливания?
В качестве источника света, светодиоды во многом превосходят обычные лампы накаливания.
Прежде всего, это эффективность: светодиоды излучают намного больше световой мощности на ватт потребляемой электроэнергии, чем лампы накаливания. Это значительное преимущество, если рассматриваемая схема питается от батареи, эффективность которой приводит к увеличению срока службы батареи.
Во-вторых, светодиоды намного надёжнее и имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания с раскалённой добела металлической нитью, легко ломающейся от механических и термических воздействий.
В-третьих, это высокая скорость включения и выключения светодиодов. Это преимущество также связано с «холодным» режимом работы светодиодов: им не нужно преодолевать тепловую инерцию при переключении из выключенного состояния во включенное или наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой («Вкл. »/« Выкл. ») информации в виде световых импульсов, проводимых в пустом пространстве или по оптоволоконному кабелю, с очень высокой скоростью (миллионы импульсов в секунду).
Светодиоды превосходно используются в монохроматических осветительных приборах, таких как светофоры и автомобильные задние фонари. Лампы накаливания ужасны в этом приложении, поскольку требуют фильтрации, что снижает эффективность. Светодиоды не требуют фильтрации.
Недостатки светодиодов
Одним из основных недостатков использования светодиодов в качестве источников освещения является их монохроматическое (одноцветное) излучение. Ни у кого не возникнет желания читать книгу при свете красного, зеленого или синего светодиода. Однако при использовании комбинации цветов разных светодиодов можно получить смешанный цвет более широкого спектра свечения. Новый источник света расширенного спектра – белый светодиод. В то время как маленькие LED-индикаторы используются уже много лет, светодиодные устройства с «тёплым» освещениям всё ещё находятся в стадии разработки.
Эффективность и срок службы светодиодов и различного освещения
Тип осветительного устройстваЭффективность, люмен/ваттСрок службы, часПримечания
Белый светодиод35 – 300100 000Лампа накаливания121000Галогеновая лампа15 – 172000Люминисцентная лампа50 – 10010 000Натриевая газоразрядная лампа70 – 20020 000наружное освещение
Ртутная газоразрядная лампа13 – 4818 000наружное освещение
Белый светодиод – это на самом деле синий светодиод, возбуждающий люминофор, излучающий желтый свет. Смешение синего и жёлтого даёт белый цвет. Природа люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси жёлтого и синего, но это снижает эффективность. В таблице выше сравниваются светодиоды с белой подсветкой с ожидаемыми в будущем устройствами и другими обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах светоотдачи на ватт входной мощности. Если устройство мощностью 50 люмен/ватт улучшить до 100 люмен/ватт, то белые светодиоды будут сравнимы по эффективности с компактными люминесцентными лампами.
История светодиодов
Светодиоды в целом были основным объектом исследований и разработок с 1960-х годов. Из-за этого вряд ли получится кратко рассказать про все геометрические формы, химические составы и характеристики, которые были найдены за эти десятилетия. Первые устройства были относительно тусклыми и потребляли умеренные токи. В последующих поколениях эффективность была повышена до такой степени, что стало опасно напрямую смотреть на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз, а для таких ярких светодиодов требуется лишь незначительное увеличение падающего напряжения (Vf) и тока. Современные устройства высокой интенсивности достигают 180 люмен при использовании 0,7 А (82 люмен/ватт, холодный белый цвет серии Luxeon Rebel), и даже модели с более высокой интенсивностью могут использовать ещё более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Другие разработки, такие как квантовые точки, являются предметом текущих исследований. Так что, ждите появление новых светодиодных девайсов в ближайшем будущем.
Лазерные диоды
Лазерный диод – это дальнейшая эволюция светодиода. Сам термин «лазер» на самом деле является аббревиатурой, несмотря на то, что слово часто пишется строчными буквами. «Laser» означает Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения), и относится к другому странному квантовому процессу, результатом которого является характерный свет, излучаемый электронами, падающих с высоких энергетических уровней на низкие и при этом в веществе стимулируют другие электроны совершать аналогичные «прыжки», в результате чего испускаемый свет синхронизируется. Эта синхронизация распространяется на фактическую фазу излучаемого света, так что все световые волны, излучаемые «лазерным» материалом, имеют не только одну и ту же частоту (цвет), но и одинаковую фазу, в результате чего они усиливают друг друга и могут перемещаться очень быстро, образуя плотно ограниченный недиспергирующий пучок. Вот почему лазерный свет остаётся так замечательно сфокусированным даже при прохождении больших расстояний: световые волны, исходящие от лазера, синхронизируются друг с другом.
Лампы накаливания излучают «белый» (смешанный по частоте или смешанный по цветам) свет, как показано на рисунке 8. а выше. Обычные светодиоды излучают монохроматический свет: одинаковой частоты (цвета), но разных фаз, что аналогично приводит к дисперсии светового луча (рисунок 8. Лазерные светодиоды излучают когерентный свет: т. свет, который является как монохроматическим (одноцветным), так и монофазным (однофазным), что приводит к точному ограничению луча, как показано на рисунке 8.
Лазерный свет находит широчайшее применение в современном мире: от геодезии, где прямой и не рассеивающий световой луч очень полезен для точного наведения на измерительные маркеры, до считывания и записи оптических дисков, где только узкий сфокусированный лазерный луч способен воспринимать микроскопические «ямки» на поверхности диска, содержащие двоичные единицы и нули цифровой информации.
Некоторые лазерные диоды требуют специальных мощных «импульсных» цепей для передачи большого количества напряжения и тока короткими импульсами. Другие лазерные диоды могут работать непрерывно с меньшей мощностью. В лазере непрерывного действия процесс происходит только в определённом диапазоне диодного тока, что требует определённой формы схемы регулятора тока. По мере старения лазерных диодов их требования к мощности могут изменяться (требуется больший ток для меньшей выходной мощности), но следует помнить, что маломощные лазерные диоды, также как и светодиоды, являются довольно долговечными устройствами с типичным сроком службы в несколько десятков лет и тысяч часов.
Фотодиоды
Фотодиод – это диод, оптимизированный для получения электронного тока в ответ на облучение ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом. Кремний чаще всего используется для изготовления фотодиодов; однако также можно использовать арсенид германия и галлия. Переход, через который свет попадает в полупроводник, должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать бо́льшую часть света в активную область (область обеднения), где свет преобразуется в пары электронов и «дырок».
На рисунке ниже небольшая диффузия P-типа в пластину N-типа создаёт P-N-переход около поверхности пластины. Слой P-типа должен быть тонким, чтобы пропускать как можно больше света. Сильная диффузия N+ на обратной стороне пластины контактирует с металлизацией. Верхняя металлизация может быть тонкой сеткой из металлических «пальцев» на верхней части пластины для больших ячеек. В небольших фотодиодах верхний контакт может быть единственным соединительным проводом, контактирующим с оголённой кремниевой крышкой P-типа.
Как работают фотодиоды?
Интенсивность света, попадающего на поверхность фотодиода, экспоненциально спадает в зависимости от глубины проникновения. Тонкий верхний слой P-типа позволяет большинству фотонов проходить в обеднённую область, где образуются электронно-«дырочные» пары. Электрическое поле в обеднённой области из-за встроенного потенциала диода заставляет электроны попадать в N-слой, а «дырки» – в P-слой.
Фактически электронно-«дырочные» пары могут быть образованы в любой из полупроводниковых областей. Однако те, которые образуются в области обеднения, скорее всего, будут разделены на соответствующие N- и P-области. Многие электронно-«дырочные» пары, образующиеся в P- и N-областях, рекомбинируют. Лишь немногие делают это в области обеднения. Таким образом, несколько электронно-«дырочных» пар в N- и P-областях и большая часть в обеднённой области вносят вклад в фототок, который возникает в результате падения света на фотодиод.
Фотодиодные операции
На фотодиоде может наблюдаться напряжение. Работа в этом фотоэлектрическом (фотогальваническом) режиме не является линейной в большом динамическом диапазоне, хотя она чувствительна и имеет низкий уровень шума на частотах менее 100 кГц. Предпочтительным режимом работы часто является режим фототока (ФТ), потому что ток линейно пропорционален световому потоку в течение нескольких десятилетий интенсивности, и может быть достигнута более высокая частотная характеристика. Режим ФТ достигается с обратным включением или нулевым смещением на фотодиоде. Усилитель тока (трансимпедансный усилитель) следует использовать с фотодиодом в режиме ФТ. Линейность и фотодиодный режим обеспечиваются до тех пор, пока диод не включён в прямом направлении.
Фотодиоды, в отличие от солнечных элементов, часто требуют высокоскоростной работы. Скорость – это функция от ёмкости диода, которую можно минимизировать, уменьшив площадь ячейки. Таким образом, датчик для высокоскоростной оптоволоконной линии связи будет использовать площадь не больше, чем необходимо, скажем, 1 мм2. Ёмкость также может быть уменьшена путем увеличения толщины обеднённой области в процессе производства или путём увеличения обратного смещения на диоде.
Различные типы фотодиодов
Контактный диод или PIN-диод – это фотодиод с внутренним слоем между P- и N-областями, как на рисунке 10 ниже. Р-I-N-структура (от англ. P-Intrinsic-N т. P-Внутренний-N) увеличивает расстояние между P- и N- проводящими слоями, уменьшает ёмкость, увеличивает скорость. Объём светочувствительной области также увеличивается, повышая эффективность преобразования. Полоса пропускания может увеличиваться до 10 ГГц. PIN-фотодиоды предпочтительны из-за высокой чувствительности и высокой скорости при умеренной стоимости.
Лавинный фотодиод
Лавинный фотодиод (ЛФД), спроектированный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоэлектронному умножителю. Обратное включение может составлять от десятков вольт до почти 2000 В. Высокий уровень обратного смещения ускоряет созданные фотонами электронно-«дырочные» пары во внутренней области до достаточно высокой скорости, чтобы освободить дополнительные носители от столкновений с кристаллической решёткой. Таким образом, получается много электронов на каждый фотон. Идея ЛФД состоит в том, чтобы добиться усиления внутри фотодиода для преодоления шума во внешних усилителях. В определённой степени это работает. Однако ЛФД создаёт собственный шум. На высокой скорости ЛФД превосходит комбинацию усилителей с PIN-диодами, но не для низкоскоростных приложений. ЛФД дороги, стоят примерно столько же, сколько фотоумножитель. Таким образом, по цене они могут конкурировать только с PIN-фотодиодами для нишевых приложений. Одно из таких специфических приложений – подсчёт одиночных фотонов в ядерной физике.
Солнечные панели
Солнечная панель (солнечный элемент, солнечная батарея, фотоэлемент) – это фотодиод, оптимизированный для эффективной подачи энергии на нагрузку. Он работает в фотоэлектрическом режиме, потому что включён в прямом направлении напряжением, возникающим на сопротивлении нагрузки.
Монокристаллические солнечные элементы
Монокристаллические солнечные элементы производятся по технологии, аналогичной обработке полупроводников. Это включает выращивание монокристаллического слитка из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не такой высокой чистоты, каковая наблюдается у полупроводников. Слитки распиливают алмазной пилой или проволочной пилой на пластины. Остатки слитков выбрасываются или подвергается вторичной переработке, а кремний теряется при распиле (поскольку современные солнечные панели выполняются прямоугольными, кремний теряется при распиле слитка до нужной формы). Панели могут быть протравлены для придания нужной текстуры (шероховатости) поверхности, чтобы эффективнее улавливать свет. При производстве квадратных пластин 10 или 15 см теряется значительная часть кремния. В наши дни (2007 г. ) производители солнечных элементов обычно закупают пластины на этом этапе у поставщиков продукции полупроводниковой промышленности.
Компоненты солнечных панелей
Пластины P-типа загружаются встык в ванночки с расплавленным кварцем, из-за чего только внешняя поверхность доступна для легирующей примеси N-типа в диффузионной печи. В процессе диффузии наверху солнечной панели образуется тонкий слой N-типа. Диффузия также замыкает края элемента. Чтобы избавиться от замыкания, необходимо удалить периферию путём плазменного травления. Серебряная или алюминиевая паста наносится на заднюю часть ячейки, а серебряная сеточка – на переднюю. Они спекаются в печи и обеспечивают хороший электрический контакт.
Ячейки соединяются последовательно металлическими лентами. Для зарядки 12-вольтовых батарей 36 ячеек с напряжением примерно 0,5 В ламинируются в вакууме между стеклом и металлической полимерной задней панелью. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает улавливать свет.
Конечный коммерческий продукт в виде высокоэффективных (21,5%) монокристаллических кремниевых солнечных элементов имеет все контакты на задней стороне. Активная площадь увеличивается за счёт перемещения верхних (-) контактных проводников к задней части. Верхние (-) контакты обычно подключены к кремнию N-типа в верхней части элемента. На рисунке ниже контакты (-) соединены с диффузорами N+ внизу, чередующимися с контактами (+). Верхняя поверхность текстурирована, чтобы помогает улавливать свет.
Различные виды солнечных батарей
Технологический процесс производства начинается с того, что расплавленный кремний заливается в прямоугольную формовку. Когда кремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (от миллиметров до сантиметров) беспорядочно ориентированных кристаллов (но не в один кристалл). Остальная часть процесса такая же, как и для монокристаллов. На готовых ячейках можно различить линии, разделяющие отдельные кристаллы, как будто бы элемент треснул. Эффективность не так высока, как у монокристаллических элементов (хотя всё равно высокоэффективно), из-за потерь на границах кристаллических зерен. Поверхность нельзя сделать шероховатой посредством травления ввиду того, что кристаллы ориентированы случайным образом. Однако повысить эффективность можно, нанеся антибликовое покрытие. Такие элементы весьма конкурентоспособны практически во всём, разве что не применяются в космической отрасли.
Трехслойные фотоэлементы
Этот солнечный элемент с наивысшей эффективностью представляет собой набор из трёх элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три ячейки можно непосредственно наложить друг на друга, монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоёв более компактна. При КПД 32% в настоящее время (по состоянию на 2007 г. ) для применения в космической сфере такой вариант предпочтительнее кремния. Высокая стоимость не позволяет использовать его слишком широко «на матушке-Земле», хотя из этого материала ещё делают концентраторы, составляющие основу линз или зеркал для телескопов.
В результате интенсивных исследований недавно была разработана версия трёхслойного фотоэлемента, улучшенная для земных концентраторов на 400–1000 солнц и КПД 40,7%. Для этого требуется либо большая недорогая линза Френеля, либо отражатель и небольшая площадь дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми элементами для солнечных электростанций.
Создание трёхслойных солнечных элементов
В процессе металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (сокращ. MOCVD, от англ. Metal organic chemical vapor deposition) образуются осадочные слои на германиевой подложке P-типа. Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N- и P-типа, имеющие ширину запрещённой зоны 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волн имеют достаточно энергии, чтобы преодолевать запрещённую зону.
Более длинные волны обладают более низкими энергиями, которой недостаточно для создания электронно-«дырочных» пар, эти волны переходят на следующий слой. Слои арсенида галлия с шириной запрещённой зоны 1,42 эВ поглощают ближний инфракрасный свет.
Наконец, когда волна достигает слоя германия, подложка поглощают дальнее инфракрасное излучение. Последовательность из трёх ячеек производит напряжение, которое является суммой напряжений этих трёх ячеек. Напряжение, развиваемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещённой зоны, указанной в таблице ниже. Например, для GaInP это составляет 1,8 эВ / э — 0,4 В = 1,4 В. Для всех трёх слоёв напряжение будет равно 1,4 В + 1,0 В + 0,3 В = 2,7 В.
Высокоэффективный трёхслойный солнечный элемент
СлойЗапрещенная зонаПоглощаемый свет
Фосфид галлия-индия1,8 эВультрафиолетовый, видимый
Арсенид галлия1,4 эВближний инфракрасный
Германий0,7 эВдальний инфракрасный
Кристаллические солнечные батареи имеют долгий срок службы. Многие матрицы имеют гарантию 25 лет и считаются работоспособными в течение 40 лет. Они не подвержены начальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.
Как монокристаллические, так и мультикристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Из кремния состоит как подложка, так и активные слои устройства. Кремния нужно много. Этот тип солнечных элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергетики.
В тонкоплёночных солнечных элементах из аморфного кремния используется небольшое количество активного сырья (кремния). Примерно половину стоимости обычных кристаллических солнечных элементов составляет кремний. Процесс нанесения тонких плёнок снижает стоимость производства.
Обратной стороной является то, что эффективность примерно вдвое ниже, чем у обычных кристаллических элементов. Кроме того, под воздействием солнечного света КПД снижается на 15-35%. Элемент с КПД 7% быстро снижается до 5%. Элементы из тонкоплёночного аморфного кремния работают лучше, чем кристаллические элементы при тусклом свете. Они находят широкое применение в калькуляторах на солнечных батареях.
Солнечные элементы на основе не-кремния составляют около 7% рынка. Это тонкоплёночные поликристаллические изделия. Различные составные полупроводники являются предметом исследований и разработок. Некоторые не-кремниевые продукты находятся в производстве. Как правило, эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хороша, как у кристаллического кремния.
Теллурид кадмия в виде тонкой поликристаллической плёнки, нанесённой на металл или стекло, может иметь более высокую эффективность, чем тонкие плёнки из аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом над тонкой плёнкой теллурида кадмия. Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх теллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт представляет собой прозрачный, электропроводящий оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть нанесены на временную фольгу вместо стекла в процессе производства, описанного в следующем параграфе. Фольга затем удаляется после того, как элемент прикреплён к постоянной подложке.
Создание солнечной батареи из теллурида кадмия
Процесс нанесения теллурида кадмия на стекло начинается с нанесения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой – теллурид кадмия Р-типа; тем не менее, можно использовать N-тип или собственный полупроводник. Эти два слоя составляют P-N-переход. Слой теллурида свинца P+ (сильно легированный P-тип) помогает установить контакт с низким сопротивлением. Металлический слой обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть нанесены путем вакуумного осаждения, химического осаждения из паровой фазы, трафаретной печати, электроосаждения или химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении в гелиевой среде.
Разновидностью теллурида кадмия является теллурид кадмия ртути. Более низкое объёмное сопротивление и меньшее контактное сопротивление повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.
Диселенид кадмия/индия/галлия
Наиболее многообещающий тонкоплёночный солнечный элемент в настоящее время (по состоянию на 2007 г. ) производится из свёрнутого в рулон гибкого полиимида – диселенида кадмия, индия и галлия (сокращ. CIGS от англ. Cadmium Indium Gallium diSelenide) шириной десять дюймов. Его эффективность составляет 10%. Хотя коммерчески производимые элементы из кристаллического кремния такой уровень качества превзошли ещё с десяток лет назад, CIGS вполне конкурентоспособен по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре, что позволяет использовать полиимидный полимер в качестве подложки вместо металла или стекла (рисунок 14 выше). CIGS изготавливается в виде рулонов, что снижает затраты на производство. Элементы GIGS также могут быть произведены с помощью низкозатратного электрохимического процесса.
Итог (солнечные панели)
- Большинство солнечных элементов представляют собой монокристаллические или мультикристаллические кремниевые элементы с хорошей эффективностью и умеренной стоимостью.
- Остальной рынок составляют менее эффективные тонкие плёнки из различных аморфных или поликристаллических материалов.
- В таблице ниже выборочно сравниваются некоторые солнечные элементы.
Свойства солнечных элементов
Тип солнечных элементовМаксимальная эффективностьПрактическая эффективностьПримечания
Селен, поликристаллический0,7%1883 год, Чарльз Фриттс
Кремний, монокристалл4%1950-ые годы, первый кремниевый солнечный элемент
Кремний, монокристалл («PERL»), наземный, космос25%солнечные автомобили, стоимость в 100 раз выше, чем у промышленных элементов
Кремний, монокристалл, промышленный наземный24%14–17%5–10 долларов США за ватт
Кремний, монокристалл («Cypress Semiconductor», «Sunpower»)21,5%19%все контакты на нижней стороне солнечного элемента
Фосфид галлия-индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный32%Предпочтителен для использования в космосе
Продвинутая наземная версия варианта выше40,7%Использует оптический концентратор
Кремний, мультикристаллический18,5%15,5%ТонкоплёночныеКремний, аморфный13%5–7%Деградирует от солнечного света. Подходит для использования внутри помещений (в калькуляторах) или снаружи в облачную погоду. Теллурид кадмия, поликристаллический16%Стеклянная или металлическая подложка
Диеленид меди-индия-галлия18%10%10-дюймовая гибкая полимерная сеть. Органический полимер, 100% пластик4,5%Проект R&D
