diodes spéciales
diodes Schottky
S diodes chottky sont construits en métal -à-N plutôt qu'une jonction semi-conductrice P-N. Également connu sous le nom de porteur chaud diodes, les diodes Schottky se caractérisent par des temps de commutation rapides (faible temps de récupération inverse), une faible chute de tension directe (généralement 0,25 à 0,4 volt pour une jonction métal-silicium) et une faible capacité de jonction.
Le symbole schématique d'une diode Schottky est illustré dans la figure ci-dessous.
Symbole schématique de la diode Schottky.
Avantages et inconvénients des diodes Schottky
La chute de tension directe (VF), le temps de récupération inverse (trr) et la capacité de jonction (CJ) des diodes Schottky sont plus proches de l'idéal que la diode « redressante » moyenne. Cela les rend bien adaptés aux applications à haute fréquence. Malheureusement, cependant, les diodes Schottky ont généralement des valeurs nominales de courant direct (IF) et de tension inverse (VRRM et VDC) inférieures à celles des diodes de redressement et ne conviennent donc pas aux applications impliquant des quantités importantes de puissance. Bien qu'ils soient utilisés dans les alimentations à découpage basse tension.
Applications des diodes Schottky
La technologie des diodes Schottky trouve une large application dans les circuits informatiques à grande vitesse, où le temps de commutation rapide équivaut à une capacité à grande vitesse, et la faible chute de tension directe équivaut à moins de dissipation de puissance lors de la conduite.
Les alimentations des régulateurs à découpage fonctionnant à des centaines de kHz ne peuvent pas utiliser de diodes au silicium conventionnelles comme redresseurs en raison de leur vitesse de commutation lente. Lorsque le signal appliqué à une diode passe de la polarisation directe à la polarisation inverse, la conduction continue pendant une courte période, tandis que les porteurs sont balayés hors de la région d'appauvrissement. La conduction ne cesse qu'après ce tr temps de récupération inverse a expiré. Les diodes Schottky ont un temps de récupération inverse plus court.
Quelle que soit la vitesse de commutation, la chute de tension directe de 0,7 V des diodes au silicium entraîne un faible rendement dans les alimentations basse tension. Ce n'est pas un problème dans, disons, une alimentation 10 V. Dans une alimentation de 1 V, la chute de 0,7 V est une partie substantielle de la sortie. Une solution consiste à utiliser une diode de puissance Schottky qui a une chute directe plus faible.
Diodes tunnel
Diodes tunnel exploiter un étrange phénomène quantique appelé tunnelage résonant pour fournir une résistance négative caractéristiques de polarisation directe. Lorsqu'une petite tension de polarisation directe est appliquée à travers une diode tunnel, elle commence à conduire le courant. (Figure ci-dessous (b)) À mesure que la tension augmente, le courant augmente et atteint une valeur de crête appelée courant de crête (IP). Si la tension augmente un peu plus, le courant commence en fait à diminuer jusqu'à ce qu'il atteigne un point bas appelé courant de vallée (IV). Si la tension est encore augmentée, le courant recommence à augmenter, cette fois sans diminuer dans une autre « vallée ». Le symbole schématique de la diode tunnel illustré à la figure (a) ci-dessous.
Diode tunnel (a) Symbole schématique. (b) Courant par rapport à la tension (c) Oscillateur.
Les tensions directes nécessaires pour amener une diode tunnel à ses courants de crête et de vallée sont appelées tension de crête (VP) et tension de vallée (VV), respectivement. La région du graphique où le courant diminue tandis que la tension appliquée augmente (entre VP et VV sur l'échelle horizontale) est connue sous le nom de région de résistance négative .
Diodes tunnel, également appelées diodes Esaki en l'honneur de leur inventeur japonais Leo Esaki, sont capables de passer très rapidement entre les niveaux de courant de crête et de vallée, "basculant" entre les états de conduction haut et bas beaucoup plus rapidement que même les diodes Schottky. Les caractéristiques de la diode tunnel sont également relativement peu affectées par les changements de température.
Tension de claquage inverse par rapport au niveau de dopage. Après Sze [SGG]
Caractéristiques des diodes tunnel
Les diodes tunnel sont fortement dopées dans les régions P et N, 1000 fois le niveau d'un redresseur. Cela peut être vu dans la figure ci-dessus. Les diodes standard sont à l'extrême gauche, les diodes Zener près de la gauche et les diodes tunnel à droite de la ligne pointillée. Le dopage important produit une région d'appauvrissement inhabituellement mince. Cela produit une tension de claquage inverse inhabituellement basse avec une fuite élevée. La région d'appauvrissement mince provoque une capacité élevée. Pour surmonter cela, la zone de jonction de la diode tunnel doit être minuscule.
La caractéristique de la diode directe se compose de deux régions :une caractéristique de la diode directe normale avec un courant augmentant de façon exponentielle au-delà de VF, 0,3 V pour Ge, 0,7 V pour Si.
Entre 0 V et VF se trouve un pic caractéristique supplémentaire de « résistance négative ». Cela est dû à l'effet tunnel de la mécanique quantique impliquant la double nature d'onde particulaire des électrons. La région d'appauvrissement est suffisamment mince par rapport à la longueur d'onde équivalente de l'électron qu'ils peuvent traverser. Ils n'ont pas à surmonter la tension de diode directe normale VF. Le niveau d'énergie de la bande de conduction du matériau de type N chevauche le niveau de la bande de valence dans la région de type P. Avec l'augmentation de la tension, le tunneling commence ; les niveaux se chevauchent; le courant augmente, jusqu'à un certain point. Au fur et à mesure que le courant augmente, les niveaux d'énergie se chevauchent moins; le courant diminue avec l'augmentation de la tension. Il s'agit de la partie « résistance négative » de la courbe.
Applications des diodes tunnel
Les diodes tunnel ne sont pas de bons redresseurs, car elles ont un courant de « fuite » relativement élevé lorsqu'elles sont polarisées en inverse. Par conséquent, ils ne trouvent application que dans des circuits spéciaux où leur effet tunnel unique a de la valeur. Pour exploiter l'effet tunnel, ces diodes sont maintenues à une tension de polarisation quelque part entre les niveaux de tension de crête et de vallée, toujours dans une polarité de polarisation directe (anode positive et cathode négative).
L'application la plus courante d'une diode tunnel est peut-être dans les circuits oscillateurs à haute fréquence simples comme dans la figure (c) ci-dessus, où elle permet à une source de tension continue d'alimenter un circuit "réservoir" LC, la diode passant lorsque la tension à travers elle atteint le niveau de crête (tunnel) et isole efficacement à toutes les autres tensions. Les résistances polarisent la diode tunnel à quelques dixièmes de volt centrée sur la portion de résistance négative de la courbe caractéristique. Le circuit résonant L-C peut être une section d'un guide d'ondes pour un fonctionnement hyperfréquence. L'oscillation à 5 GHz est possible.
Historique des diodes tunnel
À une certaine époque, la diode tunnel était le seul amplificateur micro-ondes à semi-conducteurs disponible. Les diodes tunnel étaient populaires à partir des années 1960. Ils avaient une durée de vie plus longue que les amplificateurs à tube à ondes progressives, une considération importante dans les émetteurs satellites. Les diodes tunnel sont également résistantes aux radiations en raison de leur fort dopage.
Aujourd'hui, divers transistors fonctionnent à des fréquences micro-ondes. Même les petites diodes à effet tunnel sont chères et difficiles à trouver aujourd'hui. Il reste un fabricant de diodes tunnel au germanium et aucun pour les dispositifs au silicium. Ils sont parfois utilisés dans les équipements militaires car ils sont insensibles aux radiations et aux grands changements de température.
Certaines recherches ont porté sur l'intégration possible de diodes tunnel au silicium dans des circuits intégrés CMOS. On pense qu'ils sont capables de commuter à 100 GHz dans des circuits numériques. Le seul fabricant d'appareils au germanium les produit un à la fois. Un procédé batch pour les diodes tunnel au silicium doit être développé, puis intégré aux procédés CMOS classiques. [SZL]
La diode tunnel Esaki ne doit pas être confondue avec la diode tunnel résonnante CH 2, de construction plus complexe à partir de semi-conducteurs composés. Le RTD est un développement plus récent capable d'une vitesse plus élevée.
Diodes électroluminescentes
Principe d'émission d'énergie radiante
Les diodes, comme tous les dispositifs semi-conducteurs, sont régies par les principes décrits en physique quantique. L'un de ces principes est l'émission d'énergie rayonnante à fréquence spécifique chaque fois que les électrons passent d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur.
C'est le même principe à l'œuvre dans une lampe au néon, la lueur rose-orange caractéristique du néon ionisé due aux transitions énergétiques spécifiques de ses électrons au milieu d'un courant électrique. La couleur unique de la lueur d'une lampe au néon est due au fait que son néon gaz à l'intérieur du tube, et non en raison de la quantité particulière de courant à travers le tube ou de la tension entre les deux électrodes. Le gaz néon brille d'un rose-orange sur une large gamme de tensions et de courants ionisants. Chaque élément chimique a sa propre émission « signature » d'énergie rayonnante lorsque ses électrons « sautent » entre différents niveaux d'énergie quantifiés. L'hydrogène gazeux, par exemple, devient rouge lorsqu'il est ionisé; la vapeur de mercure brille en bleu. C'est ce qui rend possible l'identification spectrographique des éléments.
Émission d'énergie radiante dans les LED
Les électrons circulant à travers une jonction PN subissent des transitions de niveau d'énergie similaires et émettent de l'énergie rayonnante en même temps. La fréquence de cette énergie rayonnante est déterminée par la structure cristalline du matériau semi-conducteur et les éléments qui le composent. Certaines jonctions semi-conductrices, composées de combinaisons chimiques spéciales, émettent une énergie rayonnante dans le spectre de la lumière visible lorsque les électrons changent de niveau d'énergie. En termes simples, ces jonctions brillent lorsqu'il est polarisé en avant. Une diode conçue intentionnellement pour briller comme une lampe est appelée diode électroluminescente , ou LED .
Électroluminescence
Les diodes au silicium polarisées en direct dégagent de la chaleur alors que les électrons et les trous des régions de type N et de type P, respectivement, se recombinent à la jonction. Dans une LED polarisée en direct, la recombinaison d'électrons et de trous dans la région active de la figure (c) ci-dessous produit des photons. Ce processus est connu sous le nom d'électroluminescence . Pour émettre des photons, la barrière de potentiel à travers laquelle les électrons tombent doit être plus élevée que pour une diode au silicium. La chute de diode directe peut aller jusqu'à quelques volts pour certaines LED de couleur.
Diodes fabriquées à partir d'une combinaison des éléments gallium, arsenic et phosphore (appelées gallium-arsenide-phosphure ) brillent en rouge vif et font partie des LED les plus couramment fabriquées. En modifiant la constitution chimique de la jonction PN, différentes couleurs peuvent être obtenues. Les premières générations de LED étaient le rouge, le vert, le jaune, l'orange et l'infrarouge, les générations suivantes incluaient le bleu et l'ultraviolet, le violet étant la dernière couleur ajoutée à la sélection. D'autres couleurs peuvent être obtenues en combinant deux ou plusieurs LED de couleurs primaires (rouge, vert et bleu) ensemble dans le même boîtier, partageant la même lentille optique. Cela a permis d'utiliser des LED multicolores, telles que des LED tricolores (disponibles dans le commerce dans les années 1980) utilisant le rouge et le vert (qui peuvent créer du jaune) et plus tard des LED RVB (rouge, verte et bleue), qui couvrent tout le spectre de couleurs.
Symbole schématique pour les LED
Le symbole schématique d'une LED est une forme de diode régulière à l'intérieur d'un cercle, avec deux petites flèches pointant vers l'extérieur (indiquant la lumière émise), illustrée à la figure (a) ci-dessous.
LED, diode électroluminescente :(a) symbole schématique. (b) Le côté plat et le fil court de l'appareil correspondent à la cathode, ainsi qu'à la disposition interne de la cathode. (c) Coupe transversale de la matrice Led.
Cette notation d'avoir deux petites flèches pointant loin du dispositif est commune aux symboles schématiques de tous les dispositifs semi-conducteurs électroluminescents. Inversement, si un appareil est activé par la lumière (ce qui signifie que la lumière entrante le stimule), alors le symbole aura deux petites flèches pointant vers ce. Les LED peuvent détecter la lumière. Ils génèrent une petite tension lorsqu'ils sont exposés à la lumière, un peu comme une cellule solaire à petite échelle. Cette propriété peut être appliquée avec profit dans une variété de circuits de détection de lumière.
Fonctionnement des diodes électroluminescentes
Étant donné que les LED sont constituées de substances chimiques différentes de celles des diodes au silicium, leurs chutes de tension directe seront différentes. En règle générale, les LED ont des chutes de tension directes beaucoup plus importantes que les diodes de redressement, allant d'environ 1,6 volt à plus de 3 volts, selon la couleur. Le courant de fonctionnement typique pour une LED de taille standard est d'environ 20 mA. Lors de l'utilisation d'une LED à partir d'une source de tension continue supérieure à la tension directe de la LED, une résistance de « chute » connectée en série doit être incluse pour empêcher la pleine tension de la source d'endommager la LED. Considérez l'exemple de circuit de la figure (a) ci-dessous en utilisant une source de 6 V.
Réglage du courant LED à 20 ma. (a) pour une source 6 V, (b) pour une source 24 V.
Avec la baisse de 1,6 volts de la LED, il y aura une baisse de 4,4 volts à travers la résistance. Le dimensionnement de la résistance pour un courant de LED de 20 mA est aussi simple que de prendre sa chute de tension (4,4 volts) et de la diviser par le courant de circuit (20 mA), conformément à la loi d'Ohm (R=E/I). Cela nous donne un chiffre de 220 .
En calculant la dissipation de puissance pour cette résistance de 220 Ω, nous prenons sa chute de tension et multiplions par son courant (P=IE), et nous nous retrouvons avec 88 mW, bien en deçà de la valeur nominale d'une résistance de 1/8 watt.
Des tensions de batterie plus élevées nécessiteront des résistances de chute de plus grande valeur et éventuellement des résistances de puissance nominale plus élevée. Prenons l'exemple de la figure (b) ci-dessus pour une tension d'alimentation de 24 volts :
Ici, la résistance de chute doit être augmentée à une taille de 1,12 kΩ pour chuter de 22,4 volts à 20 mA afin que la LED ne reçoive toujours que 1,6 volt. Cela permet également une dissipation de puissance de résistance plus élevée :448 mW, soit près d'un demi-watt de puissance ! De toute évidence, une résistance conçue pour une dissipation de puissance de 1/8 watt ou même une dissipation de 1/4 watt surchauffera si elle est utilisée ici.
Chute de résistances dans les circuits LED
La chute des valeurs de résistance n'a pas besoin d'être précise pour les circuits LED. Supposons que nous devions utiliser une résistance de 1 kΩ au lieu d'une résistance de 1,12 kΩ dans le circuit illustré ci-dessus. Le résultat serait un courant de circuit légèrement supérieur et une chute de tension LED, résultant en une lumière plus brillante de la LED et une durée de vie légèrement réduite. Une résistance en chute avec trop de résistance (disons, 1,5 kΩ au lieu de 1,12 kΩ) entraînera moins de courant de circuit, moins de tension LED et un gradateur de lumière. Les LED sont assez tolérantes aux variations de puissance appliquée, vous n'avez donc pas besoin de rechercher la perfection dans le dimensionnement de la résistance de chute.
Plusieurs LED dans un circuit
Plusieurs LED sont parfois nécessaires, par exemple dans l'éclairage. Si les LED fonctionnent en parallèle, chacune doit avoir sa propre résistance de limitation de courant comme dans la figure (a) ci-dessous pour assurer une division plus égale des courants. Cependant, il est plus efficace de faire fonctionner les LED en série (Figure (b) ci-dessous avec une seule résistance de chute. À mesure que le nombre de LED en série augmente, la valeur de la résistance en série doit diminuer pour maintenir le courant, jusqu'à un certain point. Le nombre de LED en série (Vf) ne peut pas dépasser la capacité de l'alimentation. Plusieurs chaînes en série peuvent être utilisées comme dans la figure (c) ci-dessous.
Malgré l'égalisation des courants dans plusieurs LED, la luminosité des appareils peut ne pas correspondre en raison des variations dans les pièces individuelles. Les pièces peuvent être sélectionnées pour la correspondance de la luminosité pour les applications critiques.
LED multiples :(a) en parallèle, (b) en série, (c) en série-parallèle
De plus, en raison de leur composition chimique unique, les LED ont des valeurs nominales de tension de crête inverse (PIV) bien inférieures à celles des diodes de redressement ordinaires. Une LED typique peut n'être évaluée qu'à 5 volts en mode polarisation inverse. Par conséquent, lorsque vous utilisez un courant alternatif pour alimenter une LED, connectez une diode de redressement de protection anti-parallèle avec la LED pour éviter une panne inverse tous les deux demi-cycles comme dans la figure (a) ci-dessous.
Piloter une LED avec AC
La diode anti-parallèle de la figure (a) ci-dessus peut être remplacée par une LED anti-parallèle. La paire résultante de LED anti-parallèles s'allume sur des demi-cycles alternatifs de l'onde sinusoïdale CA. Cette configuration consomme 20 mA, le répartissant également entre les LED sur des demi-cycles alternatifs alternatifs. Chaque LED ne reçoit que 10 mA en raison de ce partage. Il en est de même de la combinaison LED anti-parallèle avec un redresseur. La LED ne reçoit que 10 ma. Si 20 mA étaient requis pour la ou les LED, la valeur de la résistance pourrait être réduite de moitié.
Spécifications typiques des LED
La chute de tension directe des LED est inversement proportionnelle à la longueur d'onde (λ). Au fur et à mesure que la longueur d'onde diminue en passant de l'infrarouge aux couleurs visibles à l'ultraviolet, Vf augmente. Bien que cette tendance soit la plus évidente dans les divers appareils d'un même fabricant, la plage de tension pour une LED de couleur particulière de divers fabricants varie. Cette plage de tensions est indiquée dans le tableau ci-dessous.
Propriétés optiques et électriques des LED
LED contre ampoules à incandescence
En tant que lampes, les LED sont supérieures aux ampoules à incandescence à bien des égards.
L'efficacité est d'abord et avant tout :les LED produisent beaucoup plus de puissance lumineuse par watt d'entrée électrique qu'une lampe à incandescence. C'est un avantage significatif si le circuit en question est alimenté par batterie, l'efficacité se traduisant par une durée de vie plus longue de la batterie.
Deuxièmement, les LED sont beaucoup plus fiables et ont une durée de vie beaucoup plus longue que les lampes à incandescence. En effet, les LED sont des appareils « froids » :elles fonctionnent à des températures beaucoup plus froides qu'une lampe à incandescence avec un filament de métal chauffé à blanc, susceptible de se briser sous l'effet des chocs mécaniques et thermiques.
Le troisième est la vitesse élevée à laquelle les LED peuvent être allumées et éteintes. Cet avantage est également dû au fonctionnement « à froid » des LED :elles n'ont pas à vaincre l'inertie thermique lors du passage de l'arrêt à l'allumage ou inversement. Pour cette raison, les LED sont utilisées pour transmettre des informations numériques (marche/arrêt) sous forme d'impulsions lumineuses, conduites dans un espace vide ou via un câble à fibre optique, à des vitesses très élevées (millions d'impulsions par seconde).
Les LED excellent dans les applications d'éclairage monochromatique comme les feux de circulation et les feux arrière automobiles. Les incandescentes sont catastrophiques dans cette application car elles nécessitent un filtrage, ce qui diminue l'efficacité. Les LED ne nécessitent pas de filtrage.
Inconvénients des LED
Un inconvénient majeur de l'utilisation des LED comme sources d'éclairage est leur émission monochromatique (une seule couleur). Personne ne veut lire un livre à la lumière d'une LED rouge, verte ou bleue. Cependant, si elles sont utilisées en combinaison, les couleurs LED peuvent être mélangées pour une lueur à plus large spectre. Une nouvelle source lumineuse à large spectre est la LED blanche. Alors que les petits indicateurs à panneau blanc sont disponibles depuis de nombreuses années, les dispositifs de qualité d'éclairage sont toujours en développement.
Efficacité et durée de vie des LED et des différents éclairages
Efficacité de l'éclairage
Une LED blanche est une LED bleue excitant un phosphore qui émet une lumière jaune. Le bleu plus le jaune se rapproche de la lumière blanche. La nature du phosphore détermine les caractéristiques de la lumière. Un phosphore rouge peut être ajouté pour améliorer la qualité du mélange jaune plus bleu au détriment de l'efficacité. Le tableau ci-dessus compare les LED d'éclairage blanc aux futurs appareils et autres lampes conventionnelles. L'efficacité est mesurée en lumens de sortie lumineuse par watt de puissance d'entrée. Si le dispositif de 50 lumens/watt peut être amélioré à 100 lumens/watt, les LED blanches seront comparables aux lampes fluorescentes compactes en termes d'efficacité.
Histoire des LED
Les LED en général sont un sujet majeur de R&D depuis les années 1960. Pour cette raison, il est impossible de couvrir toutes les géométries, chimies et caractéristiques qui ont été créées au fil des décennies. Les premiers appareils étaient relativement faibles et prenaient des courants modérés. Les efficacités ont été améliorées dans les générations ultérieures au point qu'il est dangereux de regarder de près et directement dans une LED illuminée. Cela peut entraîner des lésions oculaires et les LED n'ont nécessité qu'une légère augmentation de la chute de tension (Vf) et de courant. Les appareils modernes à haute intensité ont atteint 180 lumens en utilisant 0,7 ampères (82 lumens/watt, blanc froid de la série Luxeon Rebel), et des modèles à intensité encore plus élevée peuvent utiliser des courants encore plus élevés avec une augmentation correspondante de la luminosité. D'autres développements, tels que les points quantiques, font l'objet de recherches en cours, alors attendez-vous à voir de nouvelles choses pour ces appareils à l'avenir
Diodes laser
Lasers
La diode laser est un développement ultérieur par rapport à la diode électroluminescente ordinaire, ou LED. Le terme « laser » lui-même est en fait un acronyme, malgré le fait qu'il soit souvent écrit en lettres minuscules. "Laser" signifie L vol A amplification par S stimulé E mission de R l'adiation, et fait référence à un autre processus quantique étrange par lequel la lumière caractéristique émise par les électrons passant d'états d'énergie de haut niveau à bas niveau dans un matériau stimule d'autres électrons dans une substance pour faire des « sauts » similaires, le résultat étant une sortie de lumière synchronisée de la matière. Cette synchronisation s'étend à la phase réelle de la lumière émise, de sorte que toutes les ondes lumineuses émises par un matériau « laser » n'ont pas seulement la même fréquence (couleur), mais aussi la même phase les unes que les autres, de sorte qu'elles se renforcent mutuellement et sont capables de voyager dans un très faisceau étroitement confiné et non dispersant. C'est pourquoi la lumière laser reste si remarquablement focalisée sur de longues distances :chaque onde lumineuse provenant du laser est en phase les unes avec les autres.
(a) Lumière blanche de plusieurs longueurs d'onde. (b) Lumière LED monochromatique, une seule longueur d'onde. (c) Lumière laser cohérente de phase.
Les lampes à incandescence produisent une lumière « blanche » (fréquence mixte ou couleur mixte) comme dans la figure (a) ci-dessus. Les LED ordinaires produisent une lumière monochromatique :même fréquence (couleur), mais différentes phases, ce qui entraîne une dispersion de faisceau similaire à la figure (b). Les LED laser produisent une lumière cohérente :lumière à la fois monochromatique (monochrome) et monophasique (monophasée), ce qui entraîne un confinement précis du faisceau comme sur la figure (c).
La lumière laser trouve de nombreuses applications dans le monde moderne :de l'arpentage, où un faisceau lumineux droit et non dispersé est très utile pour une visée précise des marqueurs de mesure, à la lecture et à l'écriture de disques optiques, où seule l'étroitesse d'un laser focalisé Le faisceau est capable de résoudre les « creux » microscopiques à la surface du disque comprenant les 1 et les 0 binaires des informations numériques.
Certaines diodes laser nécessitent des circuits spéciaux de « pulsation » haute puissance pour fournir de grandes quantités de tension et de courant en courtes rafales. D'autres diodes laser peuvent fonctionner en continu à une puissance inférieure. Dans le laser continu, l'action laser ne se produit que dans une certaine plage de courant de diode, ce qui nécessite une certaine forme de circuit régulateur de courant. À mesure que les diodes laser vieillissent, leurs besoins en énergie peuvent changer (plus de courant requis pour moins de puissance de sortie), mais il ne faut pas oublier que les diodes laser de faible puissance, comme les LED, sont des dispositifs à durée de vie assez longue, avec des durées de vie typiques de l'ordre de dizaines de des milliers d'heures.
Photodiodes
Une photodiode est une diode optimisée pour produire un flux de courant électronique en réponse à une irradiation par la lumière ultraviolette, visible ou infrarouge. Le silicium est le plus souvent utilisé pour fabriquer des photodiodes; cependant, le germanium et l'arséniure de gallium peuvent être utilisés. La jonction par laquelle la lumière pénètre dans le semi-conducteur doit être suffisamment fine pour transmettre la majeure partie de la lumière à la région active (région d'appauvrissement) où la lumière est convertie en paires de trous d'électrons.
Dans la figure ci-dessous, une diffusion de type P peu profonde dans une plaquette de type N produit une jonction PN près de la surface de la plaquette. La couche de type P doit être fine pour laisser passer le plus de lumière possible. Une forte diffusion N+ au dos de la plaquette entre en contact avec la métallisation. La métallisation supérieure peut être une fine grille de doigts métalliques sur le dessus de la plaquette pour les grandes alvéoles. Dans les petites photodiodes, le contact supérieur peut être un fil de liaison unique en contact avec le dessus nu en silicium de type P.
Photodiode :Symbole schématique et coupe transversale.
Comment fonctionnent les photodiodes ?
L'intensité de la lumière entrant au sommet de la pile de photodiodes diminue de façon exponentielle en fonction de la profondeur. Une fine couche supérieure de type P permet à la plupart des photons de passer dans la région d'appauvrissement où se forment les paires électron-trou. Le champ électrique à travers la région d'appauvrissement en raison du potentiel de diode intégré entraîne le balayage d'électrons dans la couche N, des trous dans la couche P.
En fait, des paires électron-trou peuvent être formées dans n'importe laquelle des régions semi-conductrices. Cependant, ceux formés dans la région d'épuisement sont les plus susceptibles d'être séparés en régions N et P respectives. De nombreuses paires électron-trou formées dans les régions P et N se recombinent. Seuls quelques-uns le font dans la région d'épuisement. Ainsi, quelques paires électron-trou dans les régions N et P, et la plupart dans la région d'épuisement contribuent au photocourant , ce courant résultant de la lumière tombant sur la photodiode.
Fonctionnement de la photodiode
La tension hors d'une photodiode peut être observée. Fonctionnement dans ce photovoltaïque Le mode (PV) n'est pas linéaire sur une large plage dynamique, bien qu'il soit sensible et ait un faible bruit à des fréquences inférieures à 100 kHz. Le mode de fonctionnement préféré est souvent le photocourant (PC) mode parce que le courant est linéairement proportionnel au flux lumineux sur plusieurs décennies d'intensité, et une réponse en fréquence plus élevée peut être obtenue. Le mode PC est obtenu avec une polarisation inverse ou une polarisation nulle sur la photodiode. Un amplificateur de courant (amplificateur de transimpédance) doit être utilisé avec une photodiode en mode PC. La linéarité et le mode PC sont atteints tant que la diode ne devient pas polarisée en direct.
Un fonctionnement à grande vitesse est souvent requis pour les photodiodes, par opposition aux cellules solaires. La vitesse est fonction de la capacité de la diode, qui peut être minimisée en diminuant la surface de la cellule. Ainsi, un capteur pour une liaison fibre optique haut débit utilisera une surface pas plus grande que nécessaire, disons 1 mm2. La capacité peut également être diminuée en augmentant l'épaisseur de la zone d'appauvrissement, dans le processus de fabrication ou en augmentant la polarisation inverse sur la diode.
Différents types de diodes PIN
diode PIN La diode p-i-n ou diode PIN est une photodiode avec une couche intrinsèque entre les régions P et N comme dans la figure ci-dessous. Le P -Je intrinsèque-N La structure augmente la distance entre les couches conductrices P et N, diminuant la capacité, augmentant la vitesse. Le volume de la région photosensible augmente également, améliorant l'efficacité de conversion. La bande passante peut s'étendre jusqu'à 10 GHz. Les photodiodes PIN sont les préférées pour une sensibilité élevée et une vitesse élevée à un coût modéré.
Photodiode PIN :la région intrinsèque augmente l'épaisseur de la région d'appauvrissement.
Photodiode à avalanche : Une photodiode à avalanche (APD) conçu pour fonctionner avec une polarisation inverse élevée présente un effet multiplicateur d'électrons analogue à un tube photomultiplicateur. La polarisation inverse peut aller de 10 volts à près de 2000 V. Le niveau élevé de polarisation inverse accélère les paires électron-trou créées par les photons dans la région intrinsèque à une vitesse suffisamment élevée pour libérer les porteurs supplémentaires des collisions avec le réseau cristallin. Ainsi, il en résulte de nombreux électrons par photon. La motivation de l'APD est de réaliser une amplification dans la photodiode pour surmonter le bruit dans les amplificateurs externes. Cela fonctionne dans une certaine mesure. Cependant, l'APD crée son propre bruit. À haute vitesse, l'APD est supérieur à une combinaison d'amplificateurs à diode PIN, mais pas pour les applications à basse vitesse. Les APD sont chers, à peu près le prix d'un tube photomultiplicateur. Ainsi, elles ne sont compétitives que par rapport aux photodiodes PIN pour les applications de niche. L'une de ces applications est le comptage de photons uniques appliqué à la physique nucléaire.
Cellules solaires
Une photodiode optimisée pour fournir efficacement de l'énergie à une charge est la cellule solaire . Il fonctionne en mode photovoltaïque (PV) car il est polarisé en direct par la tension développée aux bornes de la résistance de charge.
Cellules Solaires Monocristallines
Les cellules solaires monocristallines sont fabriquées selon un processus similaire au traitement des semi-conducteurs. Cela implique la croissance d'une boule monocristalline à partir de silicium fondu de haute pureté (type P), mais pas aussi pur que pour les semi-conducteurs. La boule est sciée au diamant ou au fil de fer en tranches. Les extrémités de la boule doivent être jetées ou recyclées, et le silicium est perdu dans le trait de scie. Comme les cellules modernes sont presque carrées, le silicium est perdu lors de la mise au carré de la boule. Les cellules peuvent être gravées pour texturer (rugueux) la surface pour aider à piéger la lumière à l'intérieur de la cellule. Une quantité considérable de silicium est perdue dans la production des plaquettes carrées de 10 ou 15 cm. De nos jours (2007), il est courant qu'un fabricant de cellules solaires achète les plaquettes à ce stade auprès d'un fournisseur de l'industrie des semi-conducteurs.
Composants de cellules solaires
Les plaquettes de type P sont chargées dos à dos dans des nacelles en silice fondue exposant uniquement la surface extérieure au dopant de type N dans le four de diffusion. Le processus de diffusion forme une fine couche de type n sur le dessus de la cellule. La diffusion court-circuite également les bords de la cellule d'avant en arrière. La périphérie doit être retirée par gravure plasma pour décourter la cellule. La pâte d'argent et/ou d'aluminium est sérigraphiée à l'arrière de la cellule, et une grille d'argent à l'avant. Ceux-ci sont frittés dans un four pour un bon contact électrique. (Figure ci-dessous)
Les cellules sont câblées en série avec des rubans métalliques. Pour charger les batteries 12 V, 36 cellules à environ 0,5 V sont stratifiées sous vide entre du verre et un dos en métal polymère. Le verre peut avoir une surface texturée pour aider à piéger la lumière.
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]
AVIS :
- 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
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Design Project:Telegraph System Worksheet
- Optoelectronic Worksheet
- Sources of Electricity Worksheet
- Special Diodes Worksheet
Technologie industrielle