산업기술
산업 제조
에 초트키 다이오드 금속으로 구성 P-N 반도체 접합보다는 -to-N 접합. 핫 캐리어라고도 함 다이오드, 쇼트키 다이오드는 빠른 스위칭 시간(낮은 역 복구 시간), 낮은 순방향 전압 강하(일반적으로 금속-실리콘 접합의 경우 0.25~0.4V) 및 낮은 접합 정전 용량이 특징입니다.
쇼트키 다이오드의 회로도 기호는 아래 그림과 같습니다.
쇼트키 다이오드 회로도 기호.
쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하(VF), 역회복 시간(trr) 및 접합 커패시턴스(CJ)는 평균 "정류" 다이오드보다 이상적입니다. 따라서 고주파 응용 분야에 매우 적합합니다. 그러나 불행하게도 쇼트키 다이오드는 일반적으로 정류 다이오드보다 낮은 순방향 전류(IF) 및 역방향 전압(VRRM 및 VDC) 정격을 가지므로 상당한 양의 전력이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 저전압 스위칭 레귤레이터 전원 공급 장치에 사용되지만.
쇼트키 다이오드 기술은 빠른 스위칭 시간이 고속 기능과 동일하고 낮은 순방향 전압 강하는 전도 시 전력 손실이 적은 고속 컴퓨터 회로에서 광범위하게 적용됩니다.
100kHz에서 작동하는 스위칭 레귤레이터 전원 공급 장치는 느린 스위칭 속도 때문에 기존 실리콘 다이오드를 정류기로 사용할 수 없습니다. 다이오드에 적용된 신호가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 변경되면 전도가 짧은 시간 동안 계속되는 반면 캐리어는 공핍 영역에서 밀려납니다. 전도는 이 tr 역 회복 시간 후에만 중단됩니다. 만료되었습니다. 쇼트키 다이오드는 역 회복 시간이 더 짧습니다.
스위칭 속도에 관계없이 실리콘 다이오드의 0.7V 순방향 전압 강하는 저전압 전원에서 효율을 떨어뜨립니다. 이것은 예를 들어 10V 전원에서는 문제가 되지 않습니다. 1V 전원에서 0.7V 강하는 출력의 상당 부분을 차지합니다. 한 가지 해결책은 순방향 강하가 더 낮은 쇼트키 전력 다이오드를 사용하는 것입니다.
터널 다이오드 공진 터널링이라는 이상한 양자 현상을 이용합니다. 네거티브 저항 순방향 바이어스 특성을 제공합니다. 작은 순방향 바이어스 전압이 터널 다이오드에 적용되면 전류가 전도되기 시작합니다. (아래 그림(b)) 전압이 증가하면 전류가 증가하여 피크 전류라는 피크 값에 도달합니다. (IP). 전압이 조금 더 증가하면 전류가 실제로 감소하기 시작합니다. 계곡류라는 낮은 지점에 도달할 때까지 (IV). 전압을 더 높이면 전류가 다시 증가하기 시작하며 이번에는 다른 "계곡"으로 감소하지 않습니다. 아래 그림(a)에 표시된 터널 다이오드의 회로도 기호입니다.
터널 다이오드 (a) 도식 기호. (b) 전류 대 전압 플롯 (c) 발진기.
터널 다이오드를 피크 및 밸리 전류로 구동하는 데 필요한 순방향 전압은 각각 피크 전압(VP) 및 밸리 전압(VV)으로 알려져 있습니다. 인가된 전압이 증가하는 동안 전류가 감소하는 그래프의 영역(수평 스케일에서 VP와 VV 사이)은 음의 저항 영역으로 알려져 있습니다. .
Esaki 다이오드라고도 하는 터널 다이오드 일본 발명가 Leo Esaki를 기리기 위해 쇼트키 다이오드보다 훨씬 빠르게 높은 전도 상태와 낮은 전도 상태 사이를 "전환"하여 피크 및 밸리 전류 레벨 사이를 매우 빠르게 전환할 수 있습니다. 터널 다이오드 특성도 온도 변화에 상대적으로 영향을 받지 않습니다.
역 항복 전압 대 도핑 레벨. Sze [SGG]
이후터널 다이오드는 정류기 레벨의 1000배인 P 및 N 영역 모두에 고농도로 도핑되어 있습니다. 이는 위의 그림에서 확인할 수 있습니다. 표준 다이오드는 맨 왼쪽에 있고, 제너 다이오드는 왼쪽에 가깝고, 터널 다이오드는 점선 오른쪽에 있습니다. 무거운 도핑은 비정상적으로 얇은 공핍 영역을 생성합니다. 이것은 높은 누설과 함께 비정상적으로 낮은 역 항복 전압을 생성합니다. 얇은 공핍 영역은 높은 정전 용량을 유발합니다. 이를 극복하기 위해서는 터널 다이오드 접합 면적이 작아야 합니다.
순방향 다이오드 특성은 VF 이상으로 기하급수적으로 상승하는 전류가 있는 일반 순방향 다이오드 특성, Ge의 경우 0.3V, Si의 경우 0.7V의 두 영역으로 구성됩니다.
0V와 VF 사이에는 추가적인 "음의 저항" 특성 피크가 있습니다. 이것은 전자의 이중 입자파 특성을 포함하는 양자 기계적 터널링 때문입니다. 공핍 영역은 터널링할 수 있는 전자의 등가 파장에 비해 충분히 얇습니다. 그들은 정상적인 순방향 다이오드 전압 VF를 극복할 필요가 없습니다. N형 물질의 전도대 에너지 준위는 P형 영역의 가전자대 준위와 겹친다. 전압이 증가하면 터널링이 시작됩니다. 수준이 겹칩니다. 한 지점까지 전류가 증가합니다. 전류가 더 증가함에 따라 에너지 준위는 덜 중첩됩니다. 전류는 전압이 증가함에 따라 감소합니다. 이것은 곡선의 "음의 저항" 부분입니다.
터널 다이오드는 역 바이어스될 때 상대적으로 높은 "누설" 전류가 있기 때문에 좋은 정류기가 아닙니다. 결과적으로 고유한 터널 효과가 가치가 있는 특수 회로에서만 응용 프로그램을 찾습니다. 터널 효과를 이용하기 위해 이 다이오드는 피크 전압 레벨과 밸리 전압 레벨 사이 어딘가에 있는 바이어스 전압에서 항상 순방향 바이어스 극성(양극 양극 및 음극 음극)으로 유지됩니다.
아마도 터널 다이오드의 가장 일반적인 적용은 위의 그림(c)와 같은 단순한 고주파 발진기 회로에 있을 것입니다. 여기서 DC 전압 소스는 LC "탱크" 회로에 전력을 공급할 수 있습니다. 그것을 가로질러 피크(터널) 레벨에 도달하고 다른 모든 전압에서 효과적으로 절연됩니다. 저항은 특성 곡선의 음의 저항 부분을 중심으로 1/10 볼트에서 터널 다이오드를 바이어스합니다. L-C 공진 회로는 마이크로파 작동을 위한 도파관의 섹션일 수 있습니다. 5GHz까지 발진이 가능합니다.
한때 터널 다이오드는 사용할 수 있는 유일한 고체 상태 마이크로파 증폭기였습니다. 터널 다이오드는 1960년대부터 대중화되었습니다. 그들은 위성 송신기에서 중요한 고려 사항인 진행파 튜브 증폭기보다 수명이 길었습니다. 터널 다이오드는 고농도 도핑으로 인해 방사선에도 강합니다.
오늘날 다양한 트랜지스터는 마이크로파 주파수에서 작동합니다. 소신호 터널 다이오드조차도 비싸고 오늘날 찾기가 어렵습니다. 게르마늄 터널 다이오드 제조업체는 한 곳만 남아 있고 실리콘 장치 제조업체는 없습니다. 방사선과 큰 온도 변화에 둔감하기 때문에 때때로 군사 장비에 사용됩니다.
실리콘 터널 다이오드를 CMOS 집적 회로에 통합할 수 있는 가능성과 관련된 일부 연구가 있었습니다. 그들은 디지털 회로에서 100GHz에서 스위칭할 수 있다고 생각됩니다. 게르마늄 장치의 유일한 제조업체는 한 번에 하나씩 생산합니다. 실리콘 터널 다이오드를 위한 배치 프로세스를 개발한 다음 기존 CMOS 프로세스와 통합해야 합니다. [SZL]
Esaki 터널 다이오드는 공진 터널링 다이오드와 혼동되어서는 안 됩니다. CH 2, 화합물 반도체에서 더 복잡한 구조. RTD는 더 빠른 속도를 낼 수 있는 보다 최근에 개발된 것입니다.
모든 반도체 장치와 마찬가지로 다이오드는 양자 물리학에 설명된 원리의 지배를 받습니다. 이러한 원리 중 하나는 전자가 더 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로 떨어질 때마다 특정 주파수 복사 에너지를 방출한다는 것입니다.
이것은 네온 램프에서 작동하는 것과 동일한 원리이며, 전류의 한가운데에서 전자의 특정 에너지 전이로 인해 이온화된 네온의 특징적인 핑크-오렌지 빛입니다. 네온 램프 빛의 독특한 색상은 네온 튜브 내부의 가스가 아니라 튜브를 통과하는 특정 양의 전류나 두 전극 사이의 전압 때문이 아닙니다. 네온 가스는 광범위한 이온화 전압과 전류에 걸쳐 분홍빛이 도는 주황색으로 빛납니다. 각 화학 원소는 전자가 서로 다른 양자화된 에너지 수준 사이를 "점프"할 때 복사 에너지의 고유한 "시그니처" 방출을 가지고 있습니다. 예를 들어 수소 가스는 이온화되면 빨간색으로 빛납니다. 수은 증기는 파란색으로 빛납니다. 이것이 요소의 분광학적 식별을 가능하게 하는 것입니다.
PN 접합을 통해 흐르는 전자는 에너지 준위에서 유사한 전환을 경험하고 그렇게 할 때 복사 에너지를 방출합니다. 이 복사 에너지의 주파수는 반도체 재료의 결정 구조와 이를 구성하는 요소에 의해 결정됩니다. 특수 화학 조합으로 구성된 일부 반도체 접합은 전자가 에너지 준위를 변경함에 따라 가시광선 스펙트럼 내에서 복사 에너지를 방출합니다. 간단히 말해서, 이 교차점은 빛을 내고 순방향 편향된 경우. 램프처럼 빛나도록 의도적으로 설계된 다이오드를 발광 다이오드라고 합니다. , 또는 LED .
순방향 바이어스된 실리콘 다이오드는 N형 및 P형 영역의 전자와 정공이 접합부에서 각각 재결합하면서 열을 방출합니다. 순방향 바이어스 LED에서 아래 그림 (c)의 활성 영역에서 전자와 정공의 재결합은 광자를 생성합니다. 이 과정을 전자발광이라고 합니다. . 광자를 방출하려면 전자가 떨어지는 전위 장벽이 실리콘 다이오드보다 높아야 합니다. 일부 컬러 LED의 경우 순방향 다이오드 강하는 몇 볼트에 이를 수 있습니다.
갈륨, 비소 및 인의 조합으로 만들어진 다이오드(갈륨-비소-인화물 ) 밝은 빨간색으로 빛나고 제조되는 가장 일반적인 LED 중 일부입니다. PN 접합의 화학적 구성 요소를 변경하여 다른 색상을 얻을 수 있습니다. 초기 세대의 LED는 빨간색, 녹색, 노란색, 주황색 및 적외선이었으며 이후 세대에는 파란색과 자외선이 포함되었으며 보라색이 최신 색상으로 추가되었습니다. 다른 색상은 동일한 광학 렌즈를 공유하는 동일한 패키지에 2개 이상의 기본 색상(빨간색, 녹색 및 파란색) LED를 결합하여 얻을 수 있습니다. 이를 통해 빨간색과 녹색(노란색을 생성할 수 있음)을 사용하는 삼색 LED(1980년대에 상업적으로 사용 가능)와 같은 다색 LED와 전체 색상 스펙트럼을 포괄하는 이후 RGB LED(빨간색, 녹색 및 파란색)가 가능했습니다.
LED의 도식 기호는 아래 그림 (a)와 같이 원 안에 있는 일반 다이오드 모양이며 두 개의 작은 화살표가 바깥쪽을 가리키고 있습니다(방출된 빛을 나타냄).
LED, 발광 다이오드:(a) 회로도 기호. (b) 장치의 평평한 면과 짧은 리드는 음극에 해당하며 음극의 내부 배열에도 해당합니다. (c) Led 다이의 단면.
소자를 가리키는 두 개의 작은 화살표가 있는 이 표기법은 모든 발광 반도체 소자의 개략 기호에 공통적입니다. 반대로 기기가 가벼운 활성화된 경우 (들어오는 빛이 자극한다는 의미) 기호에는 방향을 가리키는 두 개의 작은 화살표가 있습니다. 그것. LED는 빛을 감지할 수 있습니다. 그들은 작은 규모의 태양 전지와 같이 빛에 노출되면 작은 전압을 생성합니다. 이 속성은 다양한 광 감지 회로에 유용하게 적용될 수 있습니다.
LED는 실리콘 다이오드와 다른 화학 물질로 만들어지기 때문에 순방향 전압 강하가 다릅니다. 일반적으로 LED는 색상에 따라 약 1.6볼트에서 3볼트 이상으로 정류 다이오드보다 훨씬 더 큰 순방향 전압 강하를 갖습니다. 표준 크기 LED의 일반적인 작동 전류는 약 20mA입니다. LED의 순방향 전압보다 큰 DC 전압 소스에서 LED를 작동하는 경우 전체 소스 전압이 LED를 손상시키는 것을 방지하기 위해 직렬 연결된 "드롭핑" 저항을 포함해야 합니다. 6V 소스를 사용하는 아래 그림(a)의 예제 회로를 고려하십시오.
LED 전류를 20mA로 설정합니다. (a) 6V 소스의 경우, (b) 24V 소스의 경우
LED가 1.6볼트가 떨어지면 저항에서 4.4볼트가 떨어집니다. 20mA의 LED 전류에 대한 저항의 크기는 옴의 법칙(R=E/I)에 따라 전압 강하(4.4V)를 회로 전류(20mA)로 나누는 것처럼 간단합니다. 이것은 220Ω의 수치를 제공합니다.
이 220Ω 저항에 대한 전력 손실을 계산할 때 전압 강하에 전류(P=IE)를 곱하면 1/8와트 저항의 정격 내에서 88mW가 됩니다.
더 높은 배터리 전압은 더 큰 값의 강하 저항을 필요로 하고 아마도 더 높은 전력 정격 저항도 필요로 할 것입니다. 24볼트의 공급 전압에 대한 위의 그림 (b) 예를 고려하십시오.
여기에서 강하 저항은 1.12kΩ의 크기로 증가하여 20mA에서 22.4V를 떨어뜨려 LED가 여전히 1.6V만 수신하도록 해야 합니다. 이것은 또한 더 높은 저항 전력 손실을 초래합니다:448mW, 거의 0.5와트의 전력! 분명히 1/8 와트 전력 손실 또는 1/4 와트 손실 등급의 저항기가 여기에 사용되면 과열됩니다.
LED 회로의 경우 저항 값을 떨어뜨리는 것이 정확할 필요는 없습니다. 위에 표시된 회로에서 1.12kΩ 저항 대신 1kΩ 저항을 사용한다고 가정합니다. 그 결과 약간 더 큰 회로 전류와 LED 전압 강하가 발생하여 LED에서 더 밝은 빛이 발생하고 서비스 수명이 약간 단축됩니다. 저항이 너무 큰 저항을 떨어뜨리면(예:1.12kΩ 대신 1.5kΩ) 회로 전류, LED 전압 및 조명이 더 어두워집니다. LED는 인가된 전력의 변화에 상당히 관대하므로 낙하 저항의 크기를 완벽하게 조정하기 위해 노력할 필요가 없습니다.
조명과 같이 여러 개의 LED가 필요한 경우가 있습니다. LED가 병렬로 작동하는 경우 전류가 더 균등하게 분할되도록 각 LED에 아래 그림(a)와 같이 고유한 전류 제한 저항이 있어야 합니다. 그러나 하나의 적하 저항으로 아래의 그림 (b)에서 LED를 직렬로 작동하는 것이 더 효율적입니다. 직렬 LED의 수가 증가함에 따라 직렬 저항 값은 전류를 유지하기 위해 어느 정도 감소해야 합니다. 직렬로 연결된 LED의 수 (Vf)는 전원 공급 장치의 용량을 초과할 수 없습니다. 아래 그림 (c)와 같이 여러 직렬 스트링을 사용할 수 있습니다.
여러 LED의 전류를 균등하게 하여도 개별 부품의 편차로 인해 장치의 밝기가 일치하지 않을 수 있습니다. 중요한 애플리케이션의 밝기 일치를 위해 부품을 선택할 수 있습니다.
다중 LED:(a) 병렬, (b) 직렬, (c) 직렬-병렬
또한 LED는 고유한 화학적 구성으로 인해 일반 정류 다이오드보다 PIV(피크 역 전압) 정격이 훨씬 낮습니다. 일반적인 LED는 역 바이어스 모드에서 5볼트만 평가될 수 있습니다. 따라서 교류를 사용하여 LED에 전원을 공급할 때는 아래 그림 (a)와 같이 반주기마다 역항복을 방지하기 위해 LED와 역병렬 보호용 정류 다이오드를 연결하십시오.
AC로 LED 구동
위 그림(a)의 역병렬 다이오드는 역병렬 LED로 교체할 수 있습니다. 결과로 생성된 역병렬 LED 쌍은 AC 사인파의 반주기가 교대로 켜집니다. 이 구성은 20mA를 끌어와 AC 반주기를 번갈아가며 LED 간에 균등하게 분할합니다. 각 LED는 이 공유로 인해 10mA만 수신합니다. 정류기와 LED 역병렬 조합의 경우에도 마찬가지입니다. LED는 10mA만 수신합니다. LED에 20mA가 필요한 경우 저항 값을 절반으로 줄일 수 있습니다.
LED의 순방향 전압 강하는 파장(λ)에 반비례합니다. 적외선에서 가시광선, 자외선으로 파장이 감소함에 따라 Vf가 증가합니다. 이러한 경향은 단일 제조업체의 다양한 장치에서 가장 분명하지만 다양한 제조업체의 특정 색상 LED에 대한 전압 범위는 다양합니다. 이 전압 범위는 아래 표에 나와 있습니다.
LED의 광학적 및 전기적 특성
램프로서 LED는 여러 면에서 백열 전구보다 우수합니다.
가장 중요한 것은 효율성입니다. LED는 백열등보다 전기 입력 와트당 훨씬 더 많은 광 전력을 출력합니다. 문제의 회로가 배터리로 구동되는 경우 효율성이 향상되어 배터리 수명이 연장되는 경우 이는 상당한 이점입니다.
두 번째는 LED가 백열등보다 수명이 훨씬 더 길며 훨씬 더 안정적이라는 사실입니다. 이는 LED가 "저온" 장치이기 때문입니다. LED는 백열 램프보다 훨씬 낮은 온도에서 작동하며 기계적 및 열적 충격으로 인해 파손되기 쉽습니다.
세 번째는 LED를 켜고 끌 수 있는 고속입니다. 이 이점은 또한 LED의 "콜드" 작동으로 인한 것입니다. LED는 꺼짐에서 켜짐으로 또는 그 반대로 전환할 때 열 관성을 극복할 필요가 없습니다. 이러한 이유로 LED는 디지털(on/off) 정보를 빛의 펄스로 전송하는 데 사용되며, 이는 빈 공간에서 또는 광섬유 케이블을 통해 매우 빠른 속도(초당 수백만 펄스)로 전도됩니다.
LED는 교통 신호 및 자동차 후미등과 같은 단색 조명 응용 분야에서 탁월합니다. 백열등은 필터링이 필요하고 효율성이 떨어지기 때문에 이 애플리케이션에서 최악입니다. LED는 필터링이 필요하지 않습니다.
LED를 조명 소스로 사용할 때의 주요 단점 중 하나는 단색(단색) 방출입니다. 아무도 빨간색, 녹색 또는 파란색 LED 조명 아래에서 책을 읽고 싶어하지 않습니다. 그러나 조합하여 사용하는 경우 LED 색상을 혼합하여 보다 넓은 스펙트럼의 빛을 낼 수 있습니다. 새로운 광역 스펙트럼 광원은 백색 LED입니다. 작은 흰색 패널 표시기는 수년 동안 사용 가능했지만 조명 등급 장치는 아직 개발 중입니다.
조명 효율성
백색 LED는 황색광을 방출하는 형광체를 여기시키는 청색 LED이다. 파란색 더하기 노란색은 백색광에 가깝습니다. 형광체의 성질은 빛의 특성을 결정합니다. 효율성을 희생시키면서 황색과 청색 혼합물의 품질을 개선하기 위해 적색 형광체를 첨가할 수 있습니다. 위의 표는 백색 조명 LED를 미래에 예상되는 장치 및 기타 기존 램프와 비교한 것입니다. 효율은 입력 전력 와트당 광 출력 루멘으로 측정됩니다. 50루멘/와트 장치를 100루멘/와트로 개선할 수 있다면 백색 LED는 효율성 면에서 소형 형광등에 필적할 것입니다.
LED의 역사
일반적으로 LED는 1960년대부터 R&D의 주요 주제였습니다. 이 때문에 수십 년 동안 생성된 모든 기하학, 화학 및 특성을 다루는 것은 비실용적입니다. 초기 장치는 상대적으로 어둡고 적당한 전류를 사용했습니다. 조명이 켜진 LED를 가까이에서 직접 보는 것은 위험할 정도로 효율성이 후대에 향상되었습니다. 이로 인해 눈이 손상될 수 있으며 LED는 전압(Vf) 및 전류 강하를 약간만 증가시키면 됩니다. 최신 고강도 장치는 0.7A(82루멘/와트, Luxeon Rebel 시리즈 쿨 화이트)를 사용하여 180루멘에 도달했으며, 더 높은 강도의 모델은 그에 상응하는 밝기 증가와 함께 더 높은 전류를 사용할 수 있습니다. 양자점과 같은 다른 개발은 현재 연구의 주제이므로 앞으로 이러한 장치에 대한 새로운 것을 볼 수 있을 것으로 기대합니다.
레이저 다이오드 일반 발광 다이오드 또는 LED에 대한 추가 개발입니다. "레이저"라는 용어 자체는 종종 소문자로 작성된다는 사실에도 불구하고 실제로 약어입니다. "레이저"는 L을 나타냅니다. 바로 A S에 의한 증폭 자극된 E R의 사명 adiation은 물질의 높은 수준에서 낮은 수준의 에너지 상태로 떨어지는 전자에 의해 방출되는 특성 빛이 물질의 다른 전자를 자극하여 유사한 "점프"를 만들고 결과적으로 빛의 동기화된 출력이 되는 또 다른 이상한 양자 과정을 나타냅니다. 재료에서. 이 동기화는 실제 단계로 확장됩니다. "레이징" 물질에서 방출되는 모든 광파는 동일한 주파수(색상)일 뿐만 아니라 서로 동일한 위상을 가지므로 서로를 강화하고 매우 빠르게 이동할 수 있습니다. 단단히 고정된 비분산 빔. 이것이 레이저 광이 장거리에서도 현저하게 초점을 유지하는 이유입니다. 레이저에서 나오는 모든 광파는 서로 일치합니다.
(a) 여러 파장의 백색광. (b) 단색 LED 조명, 단일 파장. (c) 위상 간섭성 레이저 광.
백열 램프는 위의 그림(a)에서와 같이 "흰색"(혼합 주파수 또는 혼합 색상) 빛을 생성합니다. 일반 LED는 단색광을 생성합니다. 주파수(색상)는 동일하지만 위상이 다르기 때문에 그림(b)에서 빔 분산이 비슷합니다. 레이저 LED는 간섭광을 생성합니다. :단색(단색) 및 단상(단상)인 빛으로 그림(c)와 같이 정확한 빔 가둠을 생성합니다.
레이저 광은 현대 세계에서 광범위하게 적용됩니다. 직선 및 비분산 광선이 측정 마커를 정밀하게 관찰하는 데 매우 유용한 측량에서부터 초점이 맞춰진 레이저의 폭이 좁은 광 디스크의 읽기 및 쓰기에 이르기까지 모든 것 빔은 디지털 정보의 2진수 1과 0으로 구성된 디스크 표면의 미세한 "구멍"을 해결할 수 있습니다.
일부 레이저 다이오드는 짧은 버스트에서 많은 양의 전압과 전류를 전달하기 위해 특수 고출력 "펄싱" 회로가 필요합니다. 다른 레이저 다이오드는 더 낮은 전력에서 연속적으로 작동할 수 있습니다. 연속 레이저에서 레이저 작용은 다이오드 전류의 특정 범위 내에서만 발생하므로 일종의 전류 조정기 회로가 필요합니다. 레이저 다이오드가 노후화되면 전력 요구 사항이 변경될 수 있지만(출력 전력을 낮추려면 더 많은 전류가 필요함), LED와 같은 저전력 레이저 다이오드는 수명이 상당히 긴 장치이며 일반적인 서비스 수명은 수십 년입니다. 수천 시간.
포토다이오드 자외선, 가시광선 또는 적외선 조사에 반응하여 전자 전류 흐름을 생성하도록 최적화된 다이오드입니다. 실리콘은 포토다이오드를 제조하는 데 가장 자주 사용됩니다. 그러나 게르마늄 및 갈륨 비소를 사용할 수 있습니다. 빛이 반도체로 들어가는 접합부는 빛의 대부분을 빛이 전자 정공 쌍으로 변환되는 활성 영역(공핍 영역)으로 전달할 수 있을 만큼 충분히 얇아야 합니다.
아래 그림에서 N형 웨이퍼로의 얕은 P형 확산은 웨이퍼 표면 근처에 PN 접합을 생성합니다. P형 층은 가능한 한 많은 빛을 통과시키기 위해 얇아야 합니다. 웨이퍼 뒷면의 무거운 N+ 확산은 금속화와 접촉합니다. 상부 금속화는 대형 셀의 경우 웨이퍼 상부에 있는 금속 핑거의 미세한 그리드일 수 있습니다. 소형 포토다이오드에서 상단 접점은 노출된 P형 실리콘 상단과 접촉하는 유일한 본드 와이어일 수 있습니다.
포토다이오드:도식 기호 및 단면.
포토다이오드 스택의 상단으로 들어오는 빛의 강도는 깊이의 함수로 기하급수적으로 떨어집니다. 얇은 상부 P형 층은 대부분의 광자가 전자-정공 쌍이 형성되는 공핍 영역으로 통과할 수 있도록 합니다. 내장된 다이오드 전위로 인한 공핍 영역의 전계는 전자를 N층으로, 정공을 P층으로 밀어 넣습니다.
실제로, 전자-정공 쌍은 임의의 반도체 영역에서 형성될 수 있다. 그러나, 공핍 영역에 형성된 것들은 각각 N 및 P 영역으로 분리될 가능성이 가장 높다. P 영역과 N 영역에 형성된 많은 전자-정공 쌍이 재결합합니다. 고갈 지역에서는 소수만이 그렇게 합니다. 따라서 N 및 P 영역에 있는 소수의 전자-정공 쌍과 대부분이 공핍 영역에서 광전류에 기여합니다. , 광다이오드에 떨어지는 빛으로 인한 전류
포토다이오드 작동
포토다이오드에서 나오는 전압이 관찰될 수 있습니다. 이 태양광의 작동 (PV) 모드는 넓은 동적 범위에서 선형이 아니지만 100kHz 미만의 주파수에서 민감하고 노이즈가 적습니다. 선호하는 작동 모드는 종종 광전류(PC)입니다. 전류는 수십 년의 강도에 걸쳐 광속에 선형 비례하고 더 높은 주파수 응답을 달성할 수 있기 때문입니다. PC 모드는 포토다이오드에서 역 바이어스 또는 제로 바이어스로 달성됩니다. 전류 증폭기(트랜스임피던스 증폭기)는 PC 모드에서 포토다이오드와 함께 사용해야 합니다. 다이오드가 순방향 바이어스되지 않는 한 선형성과 PC 모드가 달성됩니다.
태양 전지와 달리 포토 다이오드에는 고속 작동이 필요한 경우가 많습니다. 속도는 다이오드 커패시턴스의 함수이며 셀 면적을 줄임으로써 최소화할 수 있습니다. 따라서 고속 광섬유 링크용 센서는 필요한 것보다 크지 않은 영역(예:1mm2)을 사용합니다. 또한 제조 공정에서 공핍 영역의 두께를 늘리거나 다이오드의 역 바이어스를 증가시켜 커패시턴스를 감소시킬 수 있습니다.
다양한 종류의 PIN 다이오드
PIN 다이오드 p-i-n 다이오드 또는 PIN 다이오드 아래 그림과 같이 P와 N 영역 사이에 진성층이 있는 포토다이오드입니다. P -나 고유-N 구조는 P와 N 전도층 사이의 거리를 증가시켜 커패시턴스를 감소시키고 속도를 증가시킵니다. 감광 영역의 부피도 증가하여 변환 효율이 향상됩니다. 대역폭은 10GHz까지 확장할 수 있습니다. PIN 포토다이오드는 적당한 비용으로 고감도 및 고속을 위해 선호됩니다.
PIN 포토다이오드:고유 영역이 공핍 영역의 두께를 증가시킵니다.
눈사태 포토 다이오드: 애벌랜치 포토다이오드(APD) 높은 역 바이어스에서 작동하도록 설계된 이 장치는 광전자 증배관과 유사한 전자 증배관 효과를 나타냅니다. 역 바이어스는 10볼트에서 거의 2000V까지 작동할 수 있습니다. 높은 수준의 역 바이어스는 진성 영역에서 생성된 전자-정공 쌍을 결정 격자와의 충돌로부터 추가 캐리어를 자유롭게 하기에 충분히 높은 속도로 가속화합니다. 따라서 광자당 많은 전자가 생성됩니다. APD의 동기는 외부 증폭기의 노이즈를 극복하기 위해 포토다이오드 내에서 증폭을 달성하는 것입니다. 이것은 어느 정도 효과가 있습니다. 그러나 APD는 자체적으로 노이즈를 생성합니다. 고속에서 APD는 PIN 다이오드 증폭기 조합보다 우수하지만 저속 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. APD는 고가이며 대략 광전자 증배관 가격입니다. 따라서 틈새 애플리케이션을 위한 PIN 포토다이오드와만 경쟁력이 있습니다. 이러한 응용 프로그램 중 하나는 핵 물리학에 적용되는 단일 광자 계산입니다.
부하에 전력을 효율적으로 전달하도록 최적화된 포토다이오드는 태양 전지입니다. . 부하 저항에 걸쳐 발생된 전압에 의해 순방향 바이어스되기 때문에 PV(태양광 모드)에서 작동합니다.
단결정 태양 전지
단결정 태양전지는 반도체 공정과 유사한 공정으로 제조됩니다. 여기에는 용융된 고순도 실리콘(P형)에서 단결정 boule을 성장시키는 것이 포함되지만 반도체만큼 고순도는 아닙니다. boule은 다이아몬드 톱질 또는 와이어 톱질로 웨이퍼로 가공됩니다. 부울의 끝은 버리거나 재활용해야 하며 실리콘은 톱 절단면에서 손실됩니다. 현대의 세포는 거의 정사각형이기 때문에 boule을 제곱할 때 실리콘이 손실됩니다. 세포 내에서 빛을 가두는 데 도움이 되도록 표면을 텍스처링(거칠게)하기 위해 세포를 에칭할 수 있습니다. 10 또는 15cm 정사각형 웨이퍼를 생산할 때 상당한 실리콘이 손실됩니다. 요즈음(2007년) 태양전지 제조사는 이 단계에서 반도체 업계에 공급업체로부터 웨이퍼를 구매하는 것이 일반적이다.
태양 전지 부품
P형 웨이퍼는 확산로에서 N형 도펀트에 외부 표면만 노출시키는 용융 실리카 보트에 연속적으로 로드됩니다. 확산 과정은 셀 상단에 얇은 n형 층을 형성합니다. 확산은 또한 셀의 가장자리를 앞에서 뒤로 단락시킵니다. 셀의 단락을 해제하려면 주변부를 플라즈마 에칭으로 제거해야 합니다. 은 및/또는 알루미늄 페이스트는 셀 뒷면에 스크리닝되고 앞면에는 은 그리드가 스크리닝됩니다. 이들은 우수한 전기 접촉을 위해 용광로에서 소결됩니다. (아래 그림)
셀은 금속 리본과 직렬로 연결됩니다. 12V 배터리를 충전하기 위해 약 0.5V에서 36개의 셀이 유리와 폴리머 금속 후면 사이에 진공 적층됩니다. 유리는 빛을 가두는 데 도움이 되도록 표면에 질감이 있을 수 있습니다.
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]
검토:
<울>Solar cell properties
관련 워크시트:
<울>산업기술
비정현파, 반복 파형이 서로 다른 주파수의 일련의 사인파와 동일하다는 원리는 일반적으로 파동의 기본 속성이며 AC 회로 연구에서 실용적으로 매우 중요합니다. 이는 완벽한 사인파 모양이 아닌 파형이 있을 때마다 문제의 회로가 마치 동시에 여러 주파수 전압 배열이 적용된 것처럼 반응한다는 것을 의미합니다. AC 회로가 혼합된 주파수로 구성된 소스 전압을 받을 때 해당 회로의 구성 요소는 각 구성 주파수에 다른 방식으로 응답합니다. 커패시터 또는 인덕터와 같은 반응성 구성요소는 회로에 존재하는 각각의 모든 주파수에 고유한 임피던스 양
전기 절연의 SPICE 분석 AC 및 DC 회로에서 서로 다른 레벨의 전압과 전류를 쉽게 변환하는 기능 외에도 변압기는 절연이라는 매우 유용한 기능도 제공합니다. , 이는 직접 와이어 연결을 사용하지 않고 한 회로를 다른 회로에 연결하는 기능입니다. 다른 SPICE 시뮬레이션으로 이 효과의 적용을 시연할 수 있습니다. 이번에는 두 회로에 대한 접지 연결을 보여주고 추가 전압 소스를 사용하여 한 회로와 접지 사이에 높은 DC 전압을 부과합니다. 변압기는 V1의 10Vac를 V2의 250VDC에서 분리합니다. v1 1