maksymalny prąd ciemny - PB Wydział Elektryczny
advertisement
Elementy półprzewodnikowe i układy scalone 1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza ELEKTRONIKA – Jakub Dawidziuk sobota, 16 czerwca 2012 5. Charakterystyki prądowo-napięciowe 6. Parametry techniczne diod Struktura krystaliczna Koncentracja atomów 5∙1022 cm-3 a=2-3 Å (1 Å = 100 pm Angstrem – jednostka długości równa 10-10 m. Oznaczenie: Å. Model atomu Elektron w atomie może znajdować się tylko w niektórych stanach kwantowych. Jądro (protony, neutrony) Elektron wartościowości Półprzewodniki Wykorzystanie materiałów półprzewodnikowych spowodowało rozwój przemysłu elektronicznego dzięki produkcji takich przyrządów półprzewodnikowych jak diody, tranzystory i układy scalone. Atomy węgla, germanu i krzemu posiadają cztery elektrony w paśmie walencyjnym. Znajdują się one pomiędzy metalami i niemetalami i nazywają się półprzewodnikami. Oporność właściwa półprzewodników jest dużo większa niż metali i dużo mniejsza niż dielektryków. Podstawowym materiałem stosowanym przy produkcji elementów półprzewodnikowych jest krzem. Oporność właściwa: german 45 Ωcm, krzem 230 000 Ωcm, węgiel 0,35 Ωcm. Budowa atomu krzemu i germanu Siatka krystaliczna krzemu półprzewodnik samoistny Krzem i german mają na ostatniej powłoce po cztery elektrony walencyjne. Aby zapełnić tę powłokę, atomy zajmują miejsce w siatce krystalicznej w taki sposób, że każdy z nich jest związany swoimi elektronami walencyjnymi z czterema sąsiednimi atomami, tworząc wiązanie kowalentne. Elektrony i dziury swobodne W idealnym modelu atomu krzemu nie występują elektrony swobodne, które są w stanie przewodzić prąd elektryczny, dlatego też taki materiał jest dielektrykiem. Jednakże w temperaturze pokojowej, niektóre elektrony posiadają dostateczną energię do rozerwania wiązań kowalentnych i opuszczenia atomów macierzystych. Elektron opuszczając wiązanie kowalentne staje się nośnikiem prądu elektrycznego. Na jego miejscu powstaje tak zwana dziura. Półprzewodniki domieszkowane Półprzewodniki domieszkowane Własności pp samoistnych mogą być znacznie zmienione jeżeli do siatki krystalicznej zostaną wprowadzone domieszki. Domieszkowanie powoduje zmniejszenia rezystancji materiału samoistnego. Każdy atom domieszki może wziąć udział w przewodzeniu prądu w postaci jednego swobodnego elektronu lub dziury. Materiał samoistny zawiera w 1 cm3 około 1,5*1010 elektronów lub dziur. Koncentracja domieszki wznosi około 1015 cm-3 wolnych elektronów lub dziur. Liczba nośników prądu zwiększyła się około 105 razy . Tyle razy zmniejszona zostaje rezystancja półprzewodnika. Koncentracje domieszek złącza p-n Złącze pn niespolaryzowane – stan równowagi Złącze p-n jest podstawową strukturą mikroelektroniki i optoelektroniki. diody (prostownicze, pojemnościowe, …); emitery promieniowania (lasery, LED); detektory promieniowania; ogniwa słoneczne. Złącze p-n • • Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Schemat złącza p-n i jego niektóre właściwości przedstawiono na rysunku . Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie większa niż w obszarze p, w którym stanowią one nośniki mniejszościowe. Podobnie koncentracja dziur w obszarze p jest znacznie większa niż w obszarze n. Wskutek różnicy koncentracji następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n. Nośniki te po przejściu warstwy granicznej ulegają rekombinacji. W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej (obszarze przejściowym) po stronie obszaru n zanikają elektrony swobodne, a pozostają niezrównoważone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworząc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ładunek przestrzenny w granicznej warstwie przejściowej po stronie obszaru p. Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału. Pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi generowanych termicznie nośników mniejszościowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur w kierunku przeciwnym. Opisany powyżej przepływ nośników większościowych nazywa się prądem dyfuzyjnym, a przepływ nośników mniejszościowych - prądem termicznym. Polaryzacja złącza Polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz prądy w złączu Polaryzacja diody w kierunku przewodzenia Polaryzacja diody w kierunku zaporowym Charakterystyka prądowo-napięciowa diody zakres przewodzenia zakres przebicia Charakterystyki diody krzemowej prostowniczej Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=0,1∙IFmax. Równanie charakterystyki prądowonapięciowej diody UD qU D I D I S e kT 1 I S e VT 1 qU D I D I S T e mkT 1 Is – prąd termiczny, wsteczny, m – współczynnik korekcyjny od 1 do 2 (m=1), VT=kT/q – potencjał elektrokinetyczny. kT 1,38 10 23 J K 296 K 25 ,5mV 19 q C 1,60 10 q 1 10 3 V 1 40 V 1 kT 25 ,5mV 25 ,5 J W s VA V C A s A Charakterystyki diody germanowej, krzemowej i Schottky’ego koniec 24.02.2012 Z charakterystyki można odczytać wartość napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=0,1∙IFmax : Ge, Schottky UF = 0,35 V, zazwyczaj przyjmujemy UF = 0,4 V; Si UF = 0,62V, zazwyczaj przyjmujemy UF = 0,7 V. Typowe parametry dla diody małej mocy Si UF=0,7 V, URM≈50 V, IFmax=100 mA, IS=10 pA; Ge UF=0,4 V, URM≈30 V, IFmax=100 mA, IS=100 nA. Typowe parametry dla diody dużej mocy Si IXYS Schottky IXYS UF=0,8 V, URM≈2200 V, IFmax=1200 A; UF=0,7 V, URM≈200 V, IFmax=60 A; SiC Cree UF=1,6 V, URM≈1200 V, IFmax=20 A IS=10 μA; Ge praktycznie nie występują. Obudowy diod i mostków Fotodioda-zasada działania Fotodioda Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego. Fotodioda-zasada działania Przy oświetleniu fotodiody w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze. Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny If. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia. Obszary pracy fotodiody i fotoogniwa Fotoogniwo, PV, bateria słoneczna, 1m2 ~ 500W, η=15% Prąd zwarcia i napiecie rozwarcia qU D I I s exp 1 I f kT qU D I I s exp 1 kT 1. E 0 , I f 0 dioda qU D 2. E 0 , I f 0 , U D 0 , exp 0, I I s I f kT 3. E 0 , I f 0 ,U D 0 , I I sc I f fotodioda prąd zwarcia (ang. Short Circuit Current) If qU D 4. E 0 , I f 0 , I 0 , 1 exp , Is kT U D U oc kT I f kT I f ln 1 ln q Is Is q PV SEM (ang. Open Circuit Voltage) Charakterystyka I-U i związane z nią parametry Uoc napięcie obwodu otwartego Współczynnik wypełnienia Pmax U m I m UmIm 100% P0 U MPP I MPP FF U oc I oc FF 0 ,8 (ang. Fill Factor) Isc prąd zwarcia moc maksymalna sprawność UmIm 100% P0 Pmax U m I m P0 – moc promieniowania słonecznego oświetlającego czynną powierzchnię ogniwa Charakterystyka prądowo–napięciowa i mocowo-napięciowa panela PV 900 W/m2 PMPP = 66V∙24A = 1584 W 300 W/m2 P = 25V∙8A = 200 W spadek mocy do 12,62% (prawie 8. krotny) Charakterystyki elektryczne ogniw PV Maximum Power Point Tracking (MPPT) punkt maksymalnej mocy Struktury systemów fotowoltaicznych Moc panelu PV od 100 do 400 W, napięcie wyjściowe 20-45 V; a) centralna 10-250 kW, b) łańcuchowa 3%; c) wielołańcuchowa 1,5-10 kW , d) modułowa 0,1-1 kW. Ogniwo fotowoltaiczne - przykład Światło pada na fotodiodę, w której do złącza pn przyłożono ujemną polaryzację, przy czym uzyskano fotoprąd If=108Is.. Oblicz SEM dla T=300K. If I 0 U D U f 0 U f VT ln 1 IS kT VT 25 mV q 10 8 I S U f 25 mV ln 1 0 ,47 V I S Ogniwo fotowoltaiczne - przykład Średnia wartość nasłonecznienia padającego na 1m2 Ziemi w Polsce wynosi 500W. Sprawność konwersji η=15%. Obliczyć powierzchnię baterii PV potrzebnej do zasilania 100 W żarówki. P2 P1 P1 500 W m 2 S m2 P2 P1 S 500 W 100 2 A 1,3 m 0 ,15 500 Fotodioda jako fotodetektor Parametry fotodiody Parametry fotodiody: • maksymalne napięcie wsteczne URmax = 10 – 500V, • maksymalny prąd ciemny IR0max = 1 – 100nA, • czułość na moc promieniowania Spe = 0,3 – 1A/W, • czułość na natężenie oświetlenia SEV = 10 – 100nA/lx. Zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy 10 MHz (pin 1 GHz) Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od temperatury. Zastosowanie fotodiody w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania, w szybkich przetwornikach analogowo – cyfrowych, w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp., w panelach słonecznych. Elementy półprzewodnikowe Wykorzystanie paneli słonecznych Siłą napędzającą pojazd jest energia słoneczna. Zamontowano 6 metrów kwadratowych paneli słonecznych na przyczepce, która jedzie za pojazdem. Prędkość maksymalna jest dość wysoka, wynosi aż 90km/h (nie zapominajmy, że auto napędza energia słoneczna!). Samochód spala (odpowiednio przeliczając) 1 litr benzyny na 100km. Całkowita waga samochodu i przyczepy 750kg.
