Diodos de propósito especial
Diodos Schottky
S diodos chottky están construidos de metal unión -a-N en lugar de una unión semiconductora P-N. También conocido como portador en caliente diodos, los diodos Schottky se caracterizan por tiempos de conmutación rápidos (tiempo de recuperación inverso bajo), caída de voltaje directa baja (típicamente 0,25 a 0,4 voltios para una unión de metal-silicio) y capacitancia de unión baja.
El símbolo esquemático de un diodo Schottky se muestra en la siguiente figura.
Símbolo esquemático del diodo Schottky.
Ventajas y desventajas de los diodos Schottky
La caída de voltaje directa (VF), el tiempo de recuperación inversa (trr) y la capacitancia de unión (CJ) de los diodos Schottky están más cerca de lo ideal que el diodo "rectificador" promedio. Esto los hace muy adecuados para aplicaciones de alta frecuencia. Sin embargo, desafortunadamente, los diodos Schottky generalmente tienen valores nominales de corriente directa (IF) y voltaje inverso (VRRM y VDC) más bajos que los diodos rectificadores y, por lo tanto, no son adecuados para aplicaciones que involucran cantidades sustanciales de energía. Aunque se utilizan en fuentes de alimentación para reguladores de conmutación de bajo voltaje.
Aplicaciones de diodos Schottky
La tecnología de diodo Schottky encuentra una amplia aplicación en circuitos de computadora de alta velocidad, donde el tiempo de conmutación rápido equivale a la capacidad de alta velocidad, y la baja caída de voltaje directo equivale a una menor disipación de energía al conducir.
Las fuentes de alimentación del regulador de conmutación que funcionan a cientos de kHz no pueden utilizar diodos de silicio convencionales como rectificadores debido a su baja velocidad de conmutación. Cuando la señal aplicada a un diodo cambia de polarización directa a inversa, la conducción continúa durante un corto tiempo, mientras que las portadoras se eliminan de la región de agotamiento. La conducción solo cesa después de este tr tiempo de recuperación inverso ha expirado. Los diodos Schottky tienen un tiempo de recuperación inverso más corto.
Independientemente de la velocidad de conmutación, la caída de voltaje directo de 0,7 V de los diodos de silicio provoca una baja eficiencia en los suministros de bajo voltaje. Esto no es un problema en, digamos, un suministro de 10 V. En un suministro de 1 V, la caída de 0,7 V es una parte sustancial de la salida. Una solución es utilizar un diodo de potencia Schottky que tenga una caída hacia adelante más baja.
Diodos de túnel
Diodos de túnel explotar un extraño fenómeno cuántico llamado tunelización resonante para proporcionar características de polarización directa de resistencia negativa. Cuando se aplica un pequeño voltaje de polarización directa a través de un diodo de túnel, comienza a conducir corriente. (Figura siguiente (b)) A medida que aumenta el voltaje, la corriente aumenta y alcanza un valor pico llamado corriente pico (IP). Si el voltaje aumenta un poco más, la corriente realmente comienza a disminuir hasta que alcanza un punto bajo llamado corriente de valle (IV). Si el voltaje aumenta aún más, la corriente comienza a aumentar nuevamente, esta vez sin disminuir a otro "valle". El símbolo esquemático del diodo de túnel que se muestra en la figura (a) a continuación.
Diodo de túnel (a) Símbolo esquemático. (b) Gráfico de corriente frente a voltaje (c) Oscilador.
Los voltajes directos necesarios para impulsar un diodo túnel a sus corrientes pico y valle se conocen como voltaje pico (VP) y voltaje valle (VV), respectivamente. La región del gráfico donde la corriente disminuye mientras que el voltaje aplicado aumenta (entre VP y VV en la escala horizontal) se conoce como la región de resistencia negativa .
Diodos de túnel, también conocidos como diodos Esaki en honor a su inventor japonés Leo Esaki, pueden hacer la transición entre los niveles de corriente pico y valle muy rápidamente, “cambiando” entre estados de conducción alto y bajo mucho más rápido que incluso los diodos Schottky. Las características de los diodos de túnel tampoco se ven relativamente afectadas por los cambios de temperatura.
Voltaje de ruptura inversa versus nivel de dopaje. Después de Sze [SGG]
Características de los diodos de túnel
Los diodos de túnel están fuertemente dopados en las regiones P y N, 1000 veces el nivel en un rectificador. Esto se puede ver en la figura anterior. Los diodos estándar están en el extremo izquierdo, los diodos Zener cerca de la izquierda y los diodos de túnel a la derecha de la línea discontinua. El dopaje fuerte produce una región de agotamiento inusualmente delgada. Esto produce una tensión de ruptura inversa inusualmente baja con fugas elevadas. La región de agotamiento delgada provoca una alta capacitancia. Para superar esto, el área de unión del diodo del túnel debe ser pequeña.
La característica del diodo directo consta de dos regiones:una característica del diodo directo normal con una corriente que aumenta exponencialmente más allá de VF, 0,3 V para Ge, 0,7 V para Si.
Entre 0 V y VF hay un pico característico de "resistencia negativa" adicional. Esto se debe al efecto túnel de la mecánica cuántica que implica la naturaleza dual de onda de partícula de los electrones. La región de agotamiento es lo suficientemente delgada en comparación con la longitud de onda equivalente del electrón que pueden atravesar. No tienen que superar el voltaje de diodo directo normal VF. El nivel de energía de la banda de conducción del material de tipo N se superpone al nivel de la banda de valencia en la región de tipo P. Con el aumento de voltaje, comienza la construcción de túneles; los niveles se superponen; la corriente aumenta, hasta cierto punto. A medida que la corriente aumenta más, los niveles de energía se superponen menos; la corriente disminuye al aumentar el voltaje. Esta es la parte de la curva de "resistencia negativa".
Aplicaciones de diodos de túnel
Los diodos de túnel no son buenos rectificadores, ya que tienen una corriente de "fuga" relativamente alta cuando están polarizados en reversa. En consecuencia, encuentran aplicación solo en circuitos especiales donde su efecto túnel único tiene valor. Para aprovechar el efecto túnel, estos diodos se mantienen a un voltaje de polarización en algún lugar entre los niveles de voltaje pico y valle, siempre en una polaridad directa (ánodo positivo y cátodo negativo).
Quizás la aplicación más común de un diodo túnel es en circuitos osciladores simples de alta frecuencia como en la figura (c) anterior, donde permite que una fuente de voltaje DC contribuya con energía a un circuito LC "tanque", el diodo conduciendo cuando el voltaje a través de él alcanza el nivel máximo (túnel) y aisla eficazmente a todos los demás voltajes. Las resistencias polarizan el diodo túnel a unas pocas décimas de voltio centrado en la parte de resistencia negativa de la curva característica. El circuito resonante L-C puede ser una sección de una guía de ondas para la operación de microondas. Es posible la oscilación a 5 GHz.
Historia de los diodos de túnel
Hubo un tiempo en que el diodo túnel era el único amplificador de microondas de estado sólido disponible. Los diodos de túnel fueron populares a partir de la década de 1960. Tenían una vida más larga que los amplificadores de tubo de onda viajera, una consideración importante en los transmisores de satélite. Los diodos de túnel también son resistentes a la radiación debido al fuerte dopaje.
Hoy en día, varios transistores operan a frecuencias de microondas. Incluso los diodos de túnel de señal pequeña son caros y difíciles de encontrar en la actualidad. Queda un fabricante de diodos túnel de germanio y ninguno de dispositivos de silicio. A veces se utilizan en equipos militares porque son insensibles a la radiación y a los grandes cambios de temperatura.
Se han realizado algunas investigaciones sobre la posible integración de diodos de túnel de silicio en circuitos integrados CMOS. Se cree que son capaces de conmutar a 100 GHz en circuitos digitales. El único fabricante de dispositivos de germanio los produce uno a la vez. Se debe desarrollar un proceso por lotes para diodos de túnel de silicio y luego integrarlo con los procesos CMOS convencionales. [SZL]
El diodo de túnel de Esaki no debe confundirse con el diodo de túnel resonante CH 2, de construcción más compleja a partir de semiconductores compuestos. El RTD es un desarrollo más reciente capaz de mayor velocidad.
Diodos emisores de luz
Principio de emisión de energía radiante
Los diodos, como todos los dispositivos semiconductores, se rigen por los principios descritos en la física cuántica. Uno de estos principios es la emisión de energía radiante de frecuencia específica cada vez que los electrones caen de un nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo.
Este es el mismo principio que funciona en una lámpara de neón, el característico resplandor rosa-naranja del neón ionizado debido a las transiciones de energía específicas de sus electrones en medio de una corriente eléctrica. El color único del brillo de una lámpara de neón se debe al hecho de que su neón gas dentro del tubo, y no debido a la cantidad particular de corriente a través del tubo o voltaje entre los dos electrodos. El gas de neón se ilumina de color naranja rosado en una amplia gama de tensiones y corrientes ionizantes. Cada elemento químico tiene su propia emisión "característica" de energía radiante cuando sus electrones "saltan" entre diferentes niveles de energía cuantificados. El gas hidrógeno, por ejemplo, se ilumina en rojo cuando se ioniza; El vapor de mercurio se ilumina en azul. Esto es lo que hace posible la identificación espectrográfica de elementos.
Emisión de energía radiante en LED
Los electrones que fluyen a través de una unión PN experimentan transiciones similares en el nivel de energía y emiten energía radiante al hacerlo. La frecuencia de esta energía radiante está determinada por la estructura cristalina del material semiconductor y los elementos que lo componen. Algunas uniones de semiconductores, compuestas por combinaciones químicas especiales, emiten energía radiante dentro del espectro de luz visible a medida que los electrones cambian los niveles de energía. En pocas palabras, estas uniones brillan cuando está sesgado hacia adelante. Un diodo diseñado intencionalmente para brillar como una lámpara se llama diodo emisor de luz o LED .
Electroluminiscencia
Los diodos de silicio polarizados hacia adelante emiten calor cuando los electrones y los huecos de las regiones de tipo N y tipo P, respectivamente, se recombinan en la unión. En un LED de polarización directa, la recombinación de electrones y huecos en la región activa en la Figura (c) a continuación produce fotones. Este proceso se conoce como electroluminiscencia . Para emitir fotones, la barrera de potencial a través de la cual caen los electrones debe ser mayor que la de un diodo de silicio. La caída directa del diodo puede variar hasta unos pocos voltios para algunos LED de color.
Diodos hechos de una combinación de los elementos galio, arsénico y fósforo (llamados galio-arseniuro-fosfuro ) brillan en rojo brillante y son algunos de los LED más comunes fabricados. Al alterar la constitución química de la unión PN, se pueden obtener diferentes colores. Las primeras generaciones de LED fueron rojo, verde, amarillo, naranja e infrarrojo, las generaciones posteriores incluyeron azul y ultravioleta, siendo el violeta el último color agregado a la selección. Se pueden obtener otros colores combinando dos o más LED de colores primarios (rojo, verde y azul) juntos en el mismo paquete, compartiendo la misma lente óptica. Esto permitió LED multicolores, como LED tricolores (disponibles comercialmente en la década de 1980) que usan rojo y verde (que pueden crear amarillo) y LED RGB posteriores (rojo, verde y azul), que cubren todo el espectro de colores.
Símbolo esquemático para LED
El símbolo esquemático de un LED es una forma de diodo regular dentro de un círculo, con dos flechas pequeñas apuntando hacia afuera (que indican la luz emitida), como se muestra en la Figura (a) a continuación.
LED, diodo emisor de luz:(a) símbolo esquemático. (b) El lado plano y el cable corto del dispositivo corresponden al cátodo, así como a la disposición interna del cátodo. (c) Sección transversal del LED dado.
Esta notación de tener dos flechas pequeñas apuntando en dirección opuesta al dispositivo es común a los símbolos esquemáticos de todos los dispositivos semiconductores emisores de luz. Por el contrario, si un dispositivo es ligero, activado (lo que significa que la luz entrante lo estimula), entonces el símbolo tendrá dos flechas pequeñas apuntando hacia eso. Los LED pueden detectar la luz. Generan un pequeño voltaje cuando se exponen a la luz, muy parecido a una célula solar a pequeña escala. Esta propiedad se puede aplicar de forma rentable en una variedad de circuitos de detección de luz.
Funcionamiento del diodo emisor de luz
Debido a que los LED están hechos de sustancias químicas diferentes a los diodos de silicio, sus caídas de voltaje directo serán diferentes. Por lo general, los LED tienen caídas de voltaje directo mucho más grandes que los diodos rectificadores, desde aproximadamente 1,6 voltios hasta más de 3 voltios, según el color. La corriente de funcionamiento típica para un LED de tamaño estándar es de alrededor de 20 mA. Cuando se opera un LED desde una fuente de voltaje de CC mayor que el voltaje directo del LED, se debe incluir una resistencia de "caída" conectada en serie para evitar que el voltaje de fuente completo dañe el LED. Considere el circuito de ejemplo en la Figura (a) a continuación usando una fuente de 6 V.
Ajuste de la corriente del LED a 20 ma. (a) para una fuente de 6 V, (b) para una fuente de 24 V.
Con el LED cayendo 1.6 voltios, habrá 4.4 voltios caídos a través de la resistencia. Dimensionar la resistencia para una corriente LED de 20 mA es tan simple como tomar su caída de voltaje (4.4 voltios) y dividir por la corriente del circuito (20 mA), de acuerdo con la Ley de Ohm (R =E / I). Esto nos da una cifra de 220 Ω.
Calculando la disipación de potencia para esta resistencia de 220 Ω, tomamos su caída de voltaje y la multiplicamos por su corriente (P =IE), y obtenemos 88 mW, dentro de la clasificación de una resistencia de 1/8 vatio.
Los voltajes más altos de la batería requerirán resistencias de caída de mayor valor y posiblemente también resistencias de mayor potencia nominal. Considere el ejemplo de la Figura (b) anterior para un voltaje de suministro de 24 voltios:
Aquí, la resistencia de caída debe aumentarse a un tamaño de 1,12 kΩ para bajar 22,4 voltios a 20 mA de modo que el LED todavía reciba solo 1,6 voltios. Esto también genera una mayor disipación de potencia de la resistencia:448 mW, ¡casi medio vatio de potencia! Obviamente, una resistencia clasificada para una disipación de potencia de 1/8 vatios o incluso una disipación de 1/4 vatios se sobrecalentará si se usa aquí.
Resistencias de caída en circuitos LED
La caída de los valores de la resistencia no tiene por qué ser precisa para los circuitos LED. Suponga que usamos una resistencia de 1 kΩ en lugar de una resistencia de 1,12 kΩ en el circuito que se muestra arriba. El resultado sería una corriente de circuito ligeramente mayor y una caída de voltaje del LED, lo que da como resultado una luz más brillante del LED y una vida útil ligeramente reducida. Una resistencia de caída con demasiada resistencia (digamos, 1,5 kΩ en lugar de 1,12 kΩ) resultará en menos corriente de circuito, menos voltaje de LED y una luz más tenue. Los LED son bastante tolerantes a la variación en la potencia aplicada, por lo que no es necesario esforzarse por alcanzar la perfección en el tamaño de la resistencia de caída.
Varios LED en un circuito
A veces se requieren múltiples LED, digamos en iluminación. Si los LED funcionan en paralelo, cada uno debe tener su propia resistencia limitadora de corriente, como se muestra en la Figura (a) a continuación, para garantizar que las corrientes se dividan de manera más equitativa. Sin embargo, es más eficiente operar los LED en serie (Figura (b) a continuación con una sola resistencia de caída. A medida que aumenta el número de LED en serie, el valor del resistor en serie debe disminuir para mantener la corriente, hasta cierto punto. El número de LED en serie (Vf) no puede exceder la capacidad de la fuente de alimentación. Se pueden emplear cadenas de varias series como se muestra en la Figura (c) a continuación.
A pesar de igualar las corrientes en varios LED, es posible que el brillo de los dispositivos no coincida debido a variaciones en las partes individuales. Se pueden seleccionar piezas para igualar el brillo para aplicaciones críticas.
Varios LED:(a) en paralelo, (b) en serie, (c) serie-paralelo
También debido a su composición química única, los LED tienen valores nominales de voltaje inverso de pico (PIV) mucho más bajos que los diodos rectificadores ordinarios. Un LED típico solo puede tener una potencia nominal de 5 voltios en modo de polarización inversa. Por lo tanto, cuando utilice corriente alterna para alimentar un LED, conecte un diodo rectificador de protección antiparalelo con el LED para evitar una ruptura inversa cada dos semiciclo, como se muestra en la Figura (a) a continuación.
Conducir un LED con AC
El diodo antiparalelo de la Figura (a) anterior se puede reemplazar con un LED antiparalelo. El par resultante de LED antiparalelos se ilumina en semiciclos alternos de la onda sinusoidal de CA. Esta configuración consume 20 mA, dividiéndolos equitativamente entre los LED en medios ciclos de CA alternos. Cada LED solo recibe 10 mA debido a este intercambio. Lo mismo ocurre con la combinación de LED antiparalelo con un rectificador. El LED solo recibe 10 ma. Si se requirieran 20 mA para los LED, el valor de la resistencia podría reducirse a la mitad.
Especificaciones típicas de LED
La caída de voltaje directo de los LED es inversamente proporcional a la longitud de onda (λ). A medida que la longitud de onda disminuye al pasar de los colores infrarrojos a los visibles y al ultravioleta, Vf aumenta. Si bien esta tendencia es más obvia en los diversos dispositivos de un solo fabricante, el rango de voltaje para un LED de color particular de varios fabricantes varía. Este rango de voltajes se muestra en la siguiente tabla.
Propiedades ópticas y eléctricas de los LED
LED frente a bombillas incandescentes
Como lámparas, los LED son superiores a las bombillas incandescentes en muchos aspectos.
Lo primero y más importante es la eficiencia:los LED emiten mucha más potencia de luz por vatio de entrada eléctrica que una lámpara incandescente. Esta es una ventaja significativa si el circuito en cuestión funciona con batería, y la eficiencia se traduce en una mayor duración de la batería.
En segundo lugar, está el hecho de que los LED son mucho más fiables y tienen una vida útil mucho mayor que las lámparas incandescentes. Esto se debe a que los LED son dispositivos "fríos":funcionan a temperaturas mucho más frías que una lámpara incandescente con un filamento de metal al rojo vivo, susceptible de romperse por choque mecánico y térmico.
En tercer lugar, se encuentra la alta velocidad a la que se pueden encender y apagar los LED. Esta ventaja también se debe al funcionamiento "en frío" de los LED:no tienen que superar la inercia térmica en la transición de apagado a encendido o viceversa. Por esta razón, los LED se utilizan para transmitir información digital (encendido / apagado) como pulsos de luz, conducidos en un espacio vacío o mediante un cable de fibra óptica, a velocidades muy altas (millones de pulsos por segundo).
Los LED se destacan en aplicaciones de iluminación monocromática como señales de tráfico y luces traseras de automóviles. Las incandescentes son abismales en esta aplicación ya que requieren filtrado, disminuyendo la eficiencia. Los LED no requieren filtrado.
Desventajas de los LED
Una de las principales desventajas del uso de LED como fuentes de iluminación es su emisión monocromática (de un solo color). Nadie quiere leer un libro bajo la luz de un LED rojo, verde o azul. Sin embargo, si se usan en combinación, los colores de los LED se pueden mezclar para obtener un brillo de espectro más amplio. Una nueva fuente de luz de amplio espectro es el LED blanco. Si bien los pequeños indicadores de panel blanco han estado disponibles durante muchos años, los dispositivos de grado de iluminación aún están en desarrollo.
Eficiencia y vida útil de los LED y diferentes iluminaciones
Eficiencia de la iluminación
Un LED blanco es un LED azul que enciende un fósforo que emite luz amarilla. El azul más amarillo se aproxima a la luz blanca. La naturaleza del fósforo determina las características de la luz. Puede agregarse un fósforo rojo para mejorar la calidad de la mezcla de amarillo más azul a expensas de la eficiencia. La tabla anterior compara los LED de iluminación blanca con los dispositivos futuros esperados y otras lámparas convencionales. La eficiencia se mide en lúmenes de salida de luz por vatio de potencia de entrada. Si el dispositivo de 50 lúmenes / vatio se puede mejorar a 100 lúmenes / vatio, los LED blancos serán comparables en eficiencia a las lámparas fluorescentes compactas.
Historia de los LED
Los LED en general han sido un tema importante de I + D desde la década de 1960. Debido a esto, no es práctico cubrir todas las geometrías, químicas y características que se han creado a lo largo de las décadas. Los primeros dispositivos eran relativamente tenues y tomaban corrientes moderadas. Las eficiencias se han mejorado en generaciones posteriores hasta el punto de que es peligroso mirar de cerca y directamente a un LED iluminado. Esto puede provocar daños en los ojos y los LED solo requieren un aumento menor en la caída de voltaje (Vf) y corriente. Los dispositivos modernos de alta intensidad han alcanzado los 180 lúmenes con 0,7 amperios (82 lúmenes / vatio, blanco frío de la serie Luxeon Rebel), e incluso los modelos de mayor intensidad pueden utilizar corrientes aún más altas con el correspondiente aumento de brillo. Otros desarrollos, como los puntos cuánticos, son objeto de investigación actual, así que espere ver cosas nuevas para estos dispositivos en el futuro
Diodos láser
Láseres
El diodo láser es un desarrollo adicional sobre el diodo emisor de luz regular, o LED. El término "láser" en sí mismo es en realidad un acrónimo, a pesar de que a menudo se escribe en minúsculas. "Láser" significa L ight A simplificación de S E timulado misión de R adiación, y se refiere a otro extraño proceso cuántico mediante el cual la luz característica emitida por electrones que caen de estados de energía de alto nivel a bajo nivel en un material estimula a otros electrones en una sustancia para hacer "saltos" similares, el resultado es una salida sincronizada de luz del material. Esta sincronización se extiende a la fase real de la luz emitida, de modo que todas las ondas de luz emitidas por un material "láser" no solo tengan la misma frecuencia (color), sino también la misma fase entre sí, de modo que se refuercen entre sí y puedan viajar en muy haz estrecho, no dispersante. Esta es la razón por la que la luz láser se mantiene tan notablemente enfocada a largas distancias:todas y cada una de las ondas de luz que provienen del láser están sincronizadas entre sí.
(a) Luz blanca de muchas longitudes de onda. (b) Luz LED monocromática, una sola longitud de onda. (c) Luz láser de fase coherente.
Las lámparas incandescentes producen luz “blanca” (frecuencia mixta o colores mezclados) como se muestra en la figura (a) anterior. Los LED regulares producen luz monocromática:misma frecuencia (color), pero diferentes fases, lo que da como resultado una dispersión de haz similar en la figura (b). Los LED láser producen luz coherente :luz que es monocromática (un solo color) y monofásica (monofásica), lo que da como resultado un confinamiento preciso del haz como en la figura (c).
La luz láser encuentra una amplia aplicación en el mundo moderno:todo, desde la topografía, donde un haz de luz recto y sin dispersión es muy útil para la observación precisa de marcadores de medición, hasta la lectura y escritura de discos ópticos, donde solo la estrechez de un láser enfocado El rayo es capaz de resolver los "hoyos" microscópicos en la superficie del disco que comprenden los 1 y 0 binarios de la información digital.
Algunos diodos láser requieren circuitos "pulsantes" especiales de alta potencia para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en ráfagas cortas. Otros diodos láser pueden funcionar de forma continua a menor potencia. En el láser continuo, la acción del láser ocurre solo dentro de un cierto rango de corriente de diodo, lo que requiere alguna forma de circuito regulador de corriente. A medida que los diodos láser envejecen, sus requisitos de energía pueden cambiar (se requiere más corriente para menos potencia de salida), pero debe recordarse que los diodos láser de baja potencia, como los LED, son dispositivos de larga duración, con una vida útil típica de decenas de miles de horas.
Fotodiodos
Un fotodiodo es un diodo optimizado para producir un flujo de corriente de electrones en respuesta a la irradiación de luz ultravioleta, visible o infrarroja. El silicio se utiliza con mayor frecuencia para fabricar fotodiodos; sin embargo, se pueden utilizar germanio y arseniuro de galio. La unión a través de la cual la luz ingresa al semiconductor debe ser lo suficientemente delgada para pasar la mayor parte de la luz a la región activa (región de agotamiento) donde la luz se convierte en pares de huecos de electrones.
En la figura siguiente, una difusión superficial de tipo P en una oblea de tipo N produce una unión PN cerca de la superficie de la oblea. La capa tipo P debe ser delgada para que pase la mayor cantidad de luz posible. Una fuerte difusión de N + en la parte posterior de la oblea entra en contacto con la metalización. La metalización superior puede ser una fina rejilla de dedos metálicos en la parte superior de la oblea para celdas grandes. En los fotodiodos pequeños, el contacto superior puede ser un único cable de unión que hace contacto con la parte superior de silicona tipo P desnuda.
Fotodiodo:símbolo esquemático y sección transversal.
¿Cómo funcionan los fotodiodos?
La intensidad de la luz que entra por la parte superior de la pila de fotodiodos cae exponencialmente en función de la profundidad. Una fina capa superior tipo P permite que la mayoría de los fotones pasen a la región de agotamiento donde se forman los pares de electrones y huecos. El campo eléctrico a través de la región de agotamiento debido al potencial de diodo incorporado hace que los electrones sean arrastrados hacia la capa N, huecos hacia la capa P.
En realidad, se pueden formar pares de huecos de electrones en cualquiera de las regiones semiconductoras. Sin embargo, es más probable que los formados en la región de agotamiento se separen en las respectivas regiones N y P. Muchos de los pares de huecos de electrones formados en las regiones P y N se recombinan. Solo unos pocos lo hacen en la región de agotamiento. Por lo tanto, algunos pares de huecos de electrones en las regiones N y P, y la mayoría en la región de agotamiento contribuyen a la fotocorriente , esa corriente resultante de la luz que incide sobre el fotodiodo.
Operación de fotodiodo
Se puede observar el voltaje de un fotodiodo. Funcionamiento en esta fotovoltaica El modo (PV) no es lineal en un amplio rango dinámico, aunque es sensible y tiene poco ruido a frecuencias inferiores a 100 kHz. El modo de funcionamiento preferido suele ser fotocorriente (PC) modo porque la corriente es linealmente proporcional al flujo de luz durante varias décadas de intensidad, y se puede lograr una respuesta de frecuencia más alta. El modo PC se logra con polarización inversa o polarización cero en el fotodiodo. Se debe utilizar un amplificador de corriente (amplificador de transimpedancia) con un fotodiodo en modo PC. La linealidad y el modo PC se logran siempre que el diodo no se polarice hacia adelante.
A menudo, los fotodiodos requieren un funcionamiento a alta velocidad, a diferencia de las células solares. La velocidad es una función de la capacitancia del diodo, que se puede minimizar disminuyendo el área de la celda. Por lo tanto, un sensor para un enlace de fibra óptica de alta velocidad utilizará un área no mayor de lo necesario, digamos 1 mm2. La capacitancia también puede reducirse aumentando el grosor de la región de agotamiento, en el proceso de fabricación o aumentando la polarización inversa en el diodo.
Diferentes tipos de diodos PIN
Diodo PIN El diodo p-i-n o diodo PIN es un fotodiodo con una capa intrínseca entre las regiones P y N, como se muestra en la figura siguiente. La P - Yo ntrínseco- N La estructura aumenta la distancia entre las capas conductoras P y N, disminuyendo la capacitancia, aumentando la velocidad. El volumen de la región fotosensible también aumenta, mejorando la eficiencia de conversión. El ancho de banda puede extenderse a decenas de GHz. Los fotodiodos PIN son los preferidos por su alta sensibilidad y alta velocidad a un costo moderado.
Fotodiodo PIN:la región intrínseca aumenta el grosor de la región de agotamiento.
Fotodiodo de avalancha: Un fotodiodo de avalancha (APD) diseñado para operar con alta polarización inversa exhibe un efecto multiplicador de electrones análogo a un tubo fotomultiplicador. La polarización inversa puede ir desde decenas de voltios hasta casi 2000 V. El alto nivel de polarización inversa acelera los pares de electrones y huecos creados por fotones en la región intrínseca a una velocidad lo suficientemente alta como para liberar portadores adicionales de colisiones con la red cristalina. Por tanto, resultan muchos electrones por fotón. La motivación del APD es lograr la amplificación dentro del fotodiodo para superar el ruido en los amplificadores externos. Esto funciona hasta cierto punto. Sin embargo, el APD crea ruido por sí mismo. A alta velocidad, el APD es superior a una combinación de amplificador de diodo PIN, aunque no para aplicaciones de baja velocidad. Los APD son caros, aproximadamente el precio de un tubo fotomultiplicador. Por lo tanto, solo son competitivos con los fotodiodos PIN para aplicaciones específicas. Una de esas aplicaciones es el recuento de fotones individuales aplicado a la física nuclear.
Células solares
Un fotodiodo optimizado para entregar energía de manera eficiente a una carga es la celda solar . Opera en modo fotovoltaico (PV) porque está polarizado hacia adelante por el voltaje desarrollado a través de la resistencia de carga.
Células solares monocristalinas
Las células solares monocristalinas se fabrican en un proceso similar al procesamiento de semiconductores. Esto implica cultivar una bola de cristal único a partir de silicio fundido de alta pureza (tipo P), aunque no de tan alta pureza como los semiconductores. La bola se corta con diamante o se corta con alambre en forma de obleas. Los extremos de la bola deben desecharse o reciclarse, y el silicio se pierde en la ranura de la sierra. Dado que las células modernas son casi cuadradas, el silicio se pierde al cuadrar la bola. Las células pueden grabarse para texturizar (hacer rugosa) la superficie para ayudar a atrapar la luz dentro de la célula. Se pierde una cantidad considerable de silicio en la producción de obleas cuadradas de 10 o 15 cm. En estos días (2007) es común que los fabricantes de células solares compren las obleas en esta etapa a un proveedor de la industria de semiconductores.
Componentes de la celda solar
Las obleas tipo P se cargan espalda con espalda en botes de sílice fundida exponiendo solo la superficie exterior al dopante tipo N en el horno de difusión. El proceso de difusión forma una capa delgada de tipo n en la parte superior de la celda. La difusión también acorta los bordes de la celda de adelante hacia atrás. La periferia debe eliminarse mediante grabado con plasma para descortar la célula. La pasta de plata o aluminio se filtra en la parte posterior de la celda y una rejilla plateada en el frente. Estos se sinterizan en un horno para un buen contacto eléctrico. (Figura siguiente)
Las celdas están cableadas en serie con cintas metálicas. Para cargar baterías de 12 V, se laminan al vacío 36 celdas a aproximadamente 0,5 V entre vidrio y un respaldo de metal polímero. El vidrio puede tener una superficie texturizada para ayudar a atrapar la luz.
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]
REVISAR:
- 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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