7.1.6: Діоди, світлодіоди та сонячні елементи

Діоди - це напівпровідникові прилади, що дозволяють струму протікати тільки в одному напрямку. Діоди виступають в якості випрямлячів в електронних схемах, а також як ефективні випромінювачі світла (в світлодіодах) і сонячних елементах (в фотоелектриці). Основна структура діода - це перехід між p-типом і напівпровідником n-типу, званий p-n переходом. Зазвичай діоди виготовляються з єдиного напівпровідникового кристала, в який введені р- і n- легуючі речовини.

Крупним планом діода, що показує квадратний напівпровідниковий кристал (чорний об'єкт зліва) (Джон Маушаммер, Вікіпедія, CC-BY-SA)

Якщо n-сторона діода зміщена на позитивний потенціал, а p-сторона зміщена негативною, електрони витягуються на n-сторону, а дірки - на p-сторону. Це підсилює вбудований потенціал p-n переходу, збільшується ширина виснажувального шару, і тече дуже мало струму. Цей напрямок поляризації називається «зворотним зміщенням». Якщо діод зміщений в іншу сторону, носії вбиваються в місце з'єднання, де вони рекомбінуються. Електричне поле зменшується, смуги сплющуються, а струм протікає легко, оскільки застосоване зміщення знижує вбудований потенціал. Це називається «ухил вперед».

Електрони (червоні) і дірки (білі) в прямому зміщеному діоді. (S-кей. Вікіпедія, CC-BY-SA)

На малюнку зліва зображений зміщений вперед діод, через який легко протікає струм. Коли електрони і дірки вбиваються в стик (чорні стрілки на нижньому лівому малюнку), вони рекомбінуються (вниз сині стрілки), виробляючи світло і/або тепло. Рівень Фермі в діоді позначається як пунктирна лінія. Відбувається падіння рівня Фермі (рівне застосованому зміщенню) по всьому шару виснаження. Відповідна діодна крива i-V показана праворуч. Струм зростає експоненціально з прикладеною напругою в прямому напрямку зміщення, і при зворотному зміщенні дуже мало струму витоку. При дуже високому зворотному зміщенні (зазвичай десятки вольт) діоди піддаються лавинному пробою і протікає великий зворотний струм.

Діод i-V крива

Світловипромінюючий діод або світлодіод - це свого роду діод, який перетворює частину енергії електронно-діркової рекомбінації в світло. Цей процес радіаційної рекомбінації завжди відбувається в конкуренції з невипромінювальної рекомбінацією, при якій енергія просто перетворюється в тепло. Коли світло випромінюється від світлодіода, енергія фотонів дорівнює енергії заборони. Через це світлодіодні світильники мають чисті кольори і вузькі спектри випромінювання щодо інших джерел світла, таких як лампи розжарювання та люмінесцентні лампи. Світлодіодні ліхтарі енергоефективні і, отже, зазвичай прохолодні на дотик.

Світловипромінюючий діод (LED). (S-кей. Вікіпедія, CC-BY-SA)

Напівпровідники з прямим зазором, такі як GaAs та GaP, мають ефективну люмінесценцію, а також є хорошими поглиначами світла. У напівпровідниках прямого розриву немає зміни імпульсу, що бере участь у створенні або рекомбінації електронно-дірок. Тобто електрони і дірки беруть початок при однаковому значенні хвильового вектора імпульсу k, з яким ми зіткнулися в гл. 6. k пов'язаний з імпульсом (також векторною величиною) p = h k/2π. У напівпровіднику з прямим розривом верхня частина валентної зони та нижня частина зони провідності найчастіше зустрічаються при k = 0. Оскільки імпульс фотона близький до нуля, поглинання і випромінювання фотонів сильно допускаються (і, отже, кінетично швидко). Полярні напівпровідники, такі як GaAs, GaN та CdSe, як правило, є матеріалами з прямим зазором. Напівпровідники з непрямим зазором, такі як Si та Ge, поглинають і випромінюють світло дуже слабо, оскільки максимум валентної зони та мінімум зони провідності не відбуваються в одній точці k-простору. Це означає, що вібрація решітки (фонон) також повинна бути створена або знищена, щоб зберегти імпульс. Оскільки цей процес «трьох тіл» (електрон, дірка, фонон) має низьку ймовірність, то радіаційна рекомбінація електронів і дірок відбувається повільно щодо нерадіаційного розпаду - термізації електронно-діркової енергії у вигляді коливань решітки - в напівпровідниках з непрямим зазором. Таким чином, правило вибору імпульсу запобігає поглинанню/випромінюванню світла, і немає чистих світлодіодів Si або лазерів на основі Si.

Професор Шуджі Накамура тримає синій світлодіод.

Хоча червоні, помаранчеві, жовті та зелені світлодіоди можуть бути виготовлені відносно легко з твердих розчинів Alp-GaAs, спочатку було дуже важко виготовити сині світлодіоди, оскільки найкращий напівпровідник прямого розриву з забороною в правильному енергетичному діапазоні - це нітрид, GaN, який важко зробити і допінувати р-типу. Працюючи в корпорації Nichia в Японії, Shuji Nakamura вдалося розробити технологічний процес для P-gan, який є основою синього світлодіода. Через важливість цієї роботи в розвитку зберігання інформації (технологія Blu-Ray) і повного спектру, енергоефективне світлодіодне освітлення, Накамура поділився Нобелівською премією 2014 з фізики з Ісаму Асакі та Хіроші Амано, обидва з яких зробили раніше внесок у розвиток діодів GaN.

Сонячна батарея, або фотоелектричний елемент, перетворює світло, поглинене в p-n переході, безпосередньо в електрику за допомогою фотоелектричного ефекту. Фотовольтаїка - це область технологій і досліджень, пов'язаних з розробкою сонячних елементів для перетворення сонячної енергії в електрику. Іноді термін сонячний елемент зарезервований для пристроїв, призначених спеціально для захоплення енергії від сонячного світла, тоді як термін фотоелектричний елемент використовується, коли джерело світла не визначено.

Фотоелектричний ефект у напівпровідниковому p-n переході. (S-кей. Вікіпедія, CC-BY-SA)

Фотострум в p-n переході сонячних елементів протікає в напрямку зворотного зміщення діода. У темний час доби сонячна батарея просто виконує роль діода. У світлі фотострум можна розглядати як джерело постійного струму, який додається до i-V характеристиці діода. Зв'язок між темним і світлим струмом у фотоелектричному елементі показана на схемі зліва.

Вольт-амперна характеристика сонячного елемента в темний час доби і при освітленні при смуговому зазорі світла. Фотострум короткого замикання вказується як i sc, а фотонапруга холостого ходу - V фото. Максимальна потужність, що генерується сонячною батареєю, визначається площею помаранчевої коробки.

Вбудоване електричне поле p-n переходу відокремлює e ^- h ⁺ пари, які утворюються поглинанням смугового світла в області виснаження. Електрони течуть вниз, до сторони n-типу переходу, дірки течуть вгору до p-сторони. Якщо hν ≥ E _зазор, світло може бути поглинутий шляхом просування електрона з валентної зони до зони провідності. Будь-яка надлишкова енергія швидко термізується. Світло з hν > E _g таким чином може зберігати лише E _g енергії в парі e ^- h ⁺. Якщо світло поглинається за межами області виснаження, тобто на n- або p-стороні переходу, де немає електричного поля, міноритарні носії повинні розсіюватися в спай, щоб їх збирали. Цей процес відбувається в конкуренції з електронно-дірковою рекомбінацією. Оскільки домішкові атоми та дефекти решітки створюють ефективні центри рекомбінації, напівпровідники, що використовуються в сонячних елементах (особливо матеріали з непрямим зазором, такі як Si, які повинні бути відносно товстими, щоб поглинати більшу частину сонячного спектру) повинні бути дуже чистими. Велика частина вартості кремнієвих сонячних елементів пов'язана з процесом очищення елементарного кремнію і вирощуванням великих монокристалів з розплаву.

_{У фотодиоді i-V кривої вище, V фото, як правило, становить лише близько 70% від розриву енергії E.} Фотострум обмежений потоком фотонів, швидкістю рекомбінації та повторним випромінюванням поглиненого світла. ^[6] Площа оранжевого прямокутника вказує на потужність, що генерується сонячним елементом, яку можна обчислити як P = i x V. У хороших монокристалічних або полікристалічних сонячних елементах, виготовлених з Si, GaAs, CdTe, CuIn _x Ga _1-x Se ₂, або (CH ₃ NH ₃) pBi ₃ квантовий вихід (відношення короткого замикання фотоструму до потоку фотонів) близький до одиниці.

Еквівалентна схема p-n переходу сонячної батареї, в результаті якої виходить крива «світла» i-V, показана на малюнку вище. Сонячний елемент - це ефективно діод із джерелом струму зворотного зміщення, що забезпечується електронами та дірками, що генеруються світлом. Шунтуючий опір (R ш) в еквівалентній схемі являє собою паразитарну електронно-діркову рекомбінацію. Високий опір шунта (низька швидкість рекомбінації) та низький серійний опір (R s) необхідні для високої ефективності сонячних елементів.

Сонячні батареї мають багато сучасних застосувань. Окремі осередки використовуються для живлення невеликих пристроїв, таких як електронні калькулятори. Фотоелектричні решітки генерують форму відновлюваної електроенергії, особливо корисно в ситуаціях, коли електрична енергія від мережі недоступна, наприклад, у віддалених системах електропостачання, супутниках на орбіті Землі та космічних зондах, віддалених радіотелефонах та додатках для перекачування води. Фотоелектрична електроенергія також все частіше розгортається в електричних системах, пов'язаних з мережею.

Вартість встановленої фотоелектрики (розрахована на ват) знизилася за останнє десятиліття зі швидкістю близько 13% на рік, і вже досягла паритету мережі в Німеччині та ряді інших країн. ^[7] Паритет фотоелектричних мереж очікується на ринках електроенергії США у часовому періоді 2020 року. ^[8] Основним рушієм поступової нижчої вартості фотоелектричної енергії є стабільно зростаюча ефективність сонячних елементів, що показано на графіці праворуч. Сонячні батареї з більш високою ефективністю вимагають меншої площі, щоб забезпечити однакову кількість енергії, і це знижує витрати на «баланс системи», такі як електропроводка, монтаж даху тощо, які масштабуються як площа сонячних панелей. Прогрес у напрямку підвищення ефективності відображає вдосконалені процеси виготовлення фотоелектричних матеріалів, таких як кремній та арсенід галію, а також відкриття нових матеріалів. Кремнієві сонячні елементи є зрілою технологією, тому вони зараз знаходяться в плоскій частині кривої навчання і наближаються до своєї максимальної теоретичної ефективності. Нові технології, такі як органічна фотоелектрика, квантові точкові сонячні елементи та галогенідні свинцеві перовскітові клітини, все ще знаходяться у зростаючій частині кривої навчання.

Повідомлений графік ефективності перетворення енергії сонячних елементів з 1976 року (Національна лабораторія відновлюваної енергетики)

Польовий транзистор (FET) - це транзистор, який використовує електричне поле для управління шириною провідного каналу і, таким чином, струмом в напівпровідниковому матеріалі. Він класифікується як однополярний транзистор, на відміну від біполярних транзисторів.

Польові транзистори функціонують як підсилювачі струму. Типовою структурою ФЕТ на основі Si є така, в якій дві області n-типу (джерело та стік) розділені областю p-типу. Оксидний ізолятор над областю р-типу відокремлює металевий затвор від напівпровідника. Ця структура називається метало-оксидно-напівпровідниковий транзистором (або МОП-транзистор). Коли напруга подається між джерелом та стоком, струм не може протікати, оскільки або n-p, або p-n перехід є зворотним зміщенням. Однак, коли позитивний потенціал прикладається до затвора, електрони рухаються до затвора, а локально напівпровідник «перевернутий» до n-типу. Потім струм легко протікає між джерелом n-типу і стікає через n-канал. Струм між джерелом і стоком у багато разів перевищує струм через затвор, і таким чином FET може виступати в ролі підсилювача. Потік струму також може представляти логічне «1», тому FET також використовуються в цифровій логіці.

Поперечний переріз n-типу МОП-транзистора

В електронних пристроях, таких як мікропроцесори, польові транзистори більшу частину часу утримуються у вимкненому стані, щоб мінімізувати фоновий струм і енергоспоживання. FET, показаний вище, який має n-тип джерела та стоку областей, називається NMOS транзистором. У PMOS-транзисторі області джерела та стоку мають p-тип, а затвор - n-типу. У КМОП (комплементарних метало-оксидних напівпровідникових) інтегральних схемах використовуються як НМОП, так і PMOS-транзистори. Схеми CMOS побудовані таким чином, що всі PMOS-транзистори повинні мати або вхід від джерела напруги, або від іншого PMOS-транзистора. Аналогічно, всі NMOS транзистори повинні мати або вхід від землі, або від іншого NMOS транзистора. Таке розташування призводить до низького статичного енергоспоживання.

Транзистори найбільш корисні в діапазоні напруги затвора (позначено червоним колом на малюнку зліва), де струм джерела-стоку швидко змінюється. У цій області можна впливати на велику зміну струму між джерелом і стоком при подачі невеликого сигналу на затвор. Важливою фігурою заслуги для ФЕТ є підпороговий ухил, який є нахилом ділянки колоди (струму) проти V _воріт. Ідеальний підпороговий ухил - одне десятиліття струму на 60 мВ зміщення затвора. Як правило, десятирічна зміна струму джерела-стоку може бути досягнута при зміні напруги затвора ~ 70 мВ. Продуктивність транзисторів як перемикачів і підсилювачів обмежена підпороговим ухилом, який в свою чергу обмежений ємністю затвора. Бажано мати дуже високу ємність затвора, для чого потрібен тонкий ізолюючий оксид, але і мати невеликий струм витоку, який вимагає густого оксиду. Сучасна проблема в напівпровідниковій промисловості полягає в тому, щоб продовжувати масштабувати ФЕТ до ще менших нанорозмірних розмірів при збереженні прийнятних значень цих параметрів. Це робиться шляхом розробки нових ізоляційних матеріалів затвора, які мають вищу діелектричну проникність, ніж оксид кремнію, і не піддаються окислювально-відновним реакціям з кремнієм або з металевими висновками затвора. Лише кілька відомих матеріалів (таких як оксинітрид гафнію та силікати гафнію) в даний час відповідають цим суворим вимогам.