Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Transkrypt

1 dealna charakterystyka prądowonapięciowa złącza p-n ev ( V ) = 0 exp 1 kbt Przebicie złącza przy polaryzacji zaporowej Przebicie Zenera tunelowanie elektronów przez wąską warstwę zaporową w złączu silnie domieszkowanym. Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka światło 1

2 Szerokość przerwy energetycznej Eg i graniczna długość fali światła absorbowanego λg Si krzem Eg=1,13 ev; λg=1,1 µm ZnSe selenek cynku Eg=2,70 ev; λg=0,46 µm CdS siarczek kadmu Eg=2,42 ev; λg=0,51 µm CdF2 fluorek kadmu Eg=7,0 ev; λg=0,18 µm Generacja i rekombinacja pary elektron-dziura absorpcja i emisja fotonu g e n e ra c ja rekom binacja r a d i a c y jn a rekombinacja nieradiacyjna dziura elektron Zjawisko fotowoltaiczne w złączu p-n: 1) fotogeneracja pary elektron-dziura w pobliżu złącza p-n, 2) utrata nadmiaru energii przez elektron, 3) dryf elektronu w polu elektrycznym złącza. 2

3 Fotodioda efekt fotoelektryczny wewnętrzny Przy polaryzacji zaporowej dioda jest czułym detektorem światła. Przy braku polaryzacji na złączu powstaje siła elektromotoryczna pracuje jako ogniwo słoneczne. Fotodioda z napędu CD Złącze PN używane w fotodiodach do szybkich systemów optycznych. Optoizolacja (przetworniki) Ogniwa słoneczne Najczęściej stosowane są ogniwa krzemowe (mono lub polikrystaliczne). 3

4 Widmo promieniowania słonecznego Jasna i ciemna charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa słonecznego l = d sc Prąd Charakterystyka ciemna l ev = o exp 1 AkBT sc V oc Napięcie o = oo ee a exp kbt L mp V mp Charakterystyka jasna sc Ak BT sc V = + oc ln 1 e o sc evoc = AEa AkBT ln oo Ak BT ln e sc o 4

5 Prąd Charakterystyka ciemna Voc Napięcie Vmp L mp Charakterystyka jasna Wydajność ogniw słonecznych V η = mp mp Pin mpvmp V FF FF = η = sc oc Pin scvoc 30 sc GaAs CdTe 25 Ef f. ( %) Voc ( V) Js c (ma /c m 2) FF (%) (%) Si-c Si-µ c GaA s-c a-si (m odule) GaA s (thin film) C GS C GS ( module ) C dte (ce ll) C dte (module) N anocr. dye Si 15 Cu(nGa)Se ,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 E (ev) Maksymalna wydajność ogniwa jednozłączowego w zależności od przerwy energetycznej warstwy absorbera. Poprawa wydajności ogniw słonecznych różnych typów 5

6 Ogniwa słoneczne - zastosowania Solartaxi Nuna 4 zwycięzca World Solar Challenge Solarshuttle Serpentine Hyde park, Londyn Przejścia międzypasmowe proste skośne 6

7 Dioda świecąca - budowa LED Light Emitting Diode Rekombinacja promienista elektronów i dziur przy przepływie prądu przez złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. 7

8 Diody świecące Charakterystyka prądowo napięciowa (V) - dioda świeci, gdy przez złącze p-n płynie prąd w kierunku przewodzenia. / ma dioda czerwona dioda niebieska 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 U / V Widmo promieniowania diody świecącej emisja fotonów o energii bliskiej szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika. Diody czerwone: GaAs 1-x P x, Al x Ga 1-x P Diody niebieskie: n x Ga 1-x N, ZnSe natężenie światła (λ )/ max 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 czerwona niebieska 0, λ / nm Biała dioda świecąca lampa LED Światło diody niebieskiej n x Ga 1-x N pobudza do świecenie luminofor Ce:YAG jony ceru w granacie itrowo-glinowym. W widmie promieniowania można rozróżnić dwa zakresy: diody niebieskiej i luminoforu. Porównanie widm promieniowania różnych źródeł światła białego ze światłem słonecznym rozproszonym w atmosferze światło dzienne. Widmo białej diody LED jest znacznie bardziej zbliżone do światła słonecznego niż widmo świetlówki, której luminofor emituje wyraźne linie widmowe. Widmo światła żarówki jest przesunięte do fal dłuższych w stosunku do światła słońca, ale jest to widmo ciągłe jako promieniowanie termiczne - wzór Plancka. 8

9 The Nobel Prize in Physics 2014 samu Akasaki Hiroshi Amano Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources za wynalezienie wydajnych diod emitujących niebieskie światło, co umożliwiło jasne i energooszczędne źródła światła białego Wydajność zamiany energii na strumień świetlny przez różne źródła światła wyrażona w lumenach na wat użytej energii. lumen=kandela steradian 9

10 Przerwa energetyczna w zależności od stałej sieci dla podwójnych półprzewodników -V i -V. Linie oznaczają związki trójskładnikowe złożone z odpowiednich związków dwuskładnikowych. Mała zmiana stałej sieci pozwala uzyskiwać warstwy epitaksjalne o różnej przerwie energetycznej E g (np. Ga 1-x Al x As od 1,4 do 2,2 ev). 10

11 11

12 12

13 Lasery półprzewodnikowe na złączu p-n Silnie domieszkowane złącze p-n - potencjał chemiczny µ (energia Fermiego) wewnątrz pasm). Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dużo elektronów jest wstrzykiwane z obszaru n do stanów tuż nad krawędzią pasma przewodnictwa w obszarze p. Można osiągnąć inwersję obsadzeń stanów elektronowych (więcej elektronów na dnie pasma przewodnictwa niż przy wierzchołku pasma walencyjnego). Rekombinacja promienista z emisją wymuszoną może spowodować akcję laserową. Heterostruktura złożona z cienkiej warstwy GaAs między dwoma obszarami Ga1-xAlxAs. Elektrony wstrzykiwane do obszaru p są uwięzione w warstwie GaAs przez barierę potencjału na granicy Ga1-xAlxAs typu p. nwersję obsadzeń można osiągnąć przy znacznie mniejszej gęstości prądu niż w zwykłym złączu p-n. Ponadto współczynnik załamania światła GaAs jest większy niż Ga1-xAlxAs, zatem całkowite wewnętrzne odbicie pozwala utrzymywać fotony w warstwie GaAs, gdzie zachodzi akcja laserowa. Laser półprzewodnikowy a dioda świecąca Emisja laserowa pojawia się po przekroczeniu progowej wartości natężenia prądu płynącego w kierunku przewodzenia przez heterozłącze p-n w strukturze lasera. Przy małym natężeniu prądu laser półprzewodnikowy emituje światło jak zwykła dioda świecąca. Rozkład widmowy światła z emisji laserowej jest bardzo wąski w porównaniu z widmem diody świecącej. heterostruktura lasera 13