I D V D V bd V F De diode Jan Genoe KHLim Universitaire Campus, Gebouw B B-3590 Diepenbeek www.khlim.be/~jgenoe I D + - VD Versie: woensdag 1 oktober 2008 1
Opbouw van de ruimteladingslaag (RLL) ρ (x) q N D X L Ruimteladingslaag 0 X R X L x q N A X R Elektrisch veld E(x) Bandenbuiging E (x) q N D X L E = max ε q N A X R = ε E c X L 0 X R x E v Jan Genoe: Diode 2 De opbouw van de ruimteladingslaag kan als het volgt berekend worden: We vertrekken van het doperingsprofiel van zowel het p-type materiaal als het n-type materiaal We nemen een gelijke lading weg aan beide kanten van het scheidingsoppervlak (dit scheidingsoppervlak noemen we de junctie) We bereken op basis van dit ladingsprofiel de het elektrisch veld uit en hieruit verder het bandenprofiel. We laden de lading toenemen aan beide kanten van de junctie tot de bandenbuiging gelijk is aan de ingebouwde spanning min de aangelegde spanning. Versie: woensdag 1 oktober 2008 2
PN-junctie diode Inwendige barrière door de combinatie van een halfgeleider met n-type dopering met een halfgeleider met p-type dopering De aangelegde spanning verandert de hoogte van deze barrière De stroom wordt bepaald door de hoogte van deze barrière E c n-type E c n-type E c n-type p-type E v p-type E v p-type E v Jan Genoe: Diode 3 Versie: woensdag 1 oktober 2008 3
PN junctie diode I D I D + - VD V D V bd V F Jan Genoe: Diode 4 Versie: woensdag 1 oktober 2008 4
Stroom-spanningskarakteristiek We onderscheiden de volgende werkingsgebieden voorwaartse spanning lage injectie (m=2) normaal exponentieel gedrag (m=1) hoge injectie (m=2) achterwaartse spanning generatie stroom Zener doorslag lawine doorslag Jan Genoe: Diode 5 Versie: woensdag 1 oktober 2008 5
Normaal exponentieel gedrag I V V = I t s e 1 V t = kt q Bij kamertemperatuur (V t =25,86 mv) stijgt de stroom met een factor 10 elke 60 mv V t is enorm temperatuursafhankelijk De stroom door de diode kan als een absolute thermometer gebruikt worden Jan Genoe: Diode 6 Versie: woensdag 1 oktober 2008 6
Hoge injectie Wanneer de stroom te groot wordt kunnen we de RLL niet meer beschouwen als een gebied zonder vrije ladingsdragers. Als een gevolg hiervan bekomen we een minder ideale diode De idealiteitsfactor (m) is groter dan 1 I V mv = I t s e 1 log (I) m = 2 Hoge injectie P.S. bij nog hogere spanningen wordt de serieweerstand belangrijk en krijgen we een lineaire curve m=2 m=1 V pn V HI Jan Genoe: Diode 7 De invloed van een serieweerstand uit zich in een curve die zich lineair gaat gedragen op lineaire schaal in de plaats van op een logaritmische schaal. Versie: woensdag 1 oktober 2008 7
Generatie stroom in de RLL Er is in de RLL een beperkte generatie van ladingsdragers per volume eenheid, bepaald door de temperatuur Het aanwezige elektrisch veld trekt deze ladingsdragers naar de contacten Hoe breder de RLL, hoe meer generatiestroom Deze stroom blijft toch beperkt (voor goede diodes) Jan Genoe: Diode 8 Versie: woensdag 1 oktober 2008 8
Lage injectie Wanneer de voorwaartse spanning klein is, wordt de generatiestroom reeds merkbaar in de stroomspanningskarakteristieken Hierdoor bekomen we minder ideale stroom spanningskarakteristieken (m >1) log (I) m = 2 V mv I = I t s e 1 m=2 m=1 V HI V pn Lage injectie Jan Genoe: Diode 9 Versie: woensdag 1 oktober 2008 9
Achterwaartse spanning Wanneer de diode een beperkte achterwaartse spanning draagt, is de generatiestroom de voornaamste stroombijdrage. Deze wordt (een weinig) groter naarmate de achterwaartse spanning groter wordt I D achterwaartse spanning V D V F Jan Genoe: Diode 10 Versie: woensdag 1 oktober 2008 10
Zener doorslag Bij grote achterwaartse spanningen en hoge doperingen kunnen zeer hoge velden ontstaan. Het kan zijn dat valentie elektronen onder deze velden losgeslagen worden Dit levert plots een zeer grote stroom: Zener doorslag De spanning waarop dit gebeurt is zeer goed gekend en dus bruikbaar als spanningsreferentie I D Zener doorslag V D V F Jan Genoe: Diode 11 De Zener diode wordt vaak als spanningsreferentie gebruikt. In een dergelijke schakeling kan de uitgangsspanning niet stijgen boven de Zener doorslag spanning. Indien dit zou gebeuren gaat de Zenerdiode gaan geleiden en deze kan zo'n grote stroom trekken dat de spanning gelijk wordt aan de zenerspanning. De uitgangsspanning kan evenwel wel onder de zenerspanning zakken. Versie: woensdag 1 oktober 2008 11
Lawine doorslag Bij grote achterwaartse spanningen en (relatief) lage doperingen, ontstaat er een grote RLL, waarin een elektrisch veld heerst De aanwezige ladingsdragers versnellen onder invloed van dit veld en bekomen een steeds hogere energie Als de bekomen energie zo groot is dat bij botsing steeds een nieuw elektron-gat paar gegenereerd wordt, zal de stroom plots enorm toenemen Dit is lawine doorslag I D Lawine doorslag V D Jan Genoe: Diode 12 V F Versie: woensdag 1 oktober 2008 12
Capaciteit van een diode De capaciteit van een diode wordt bepaald door de netto lading die in de diode aanwezig is In de diode is een netto lading aanwezig van de doperingsatomen in de RLL de elektronen en gaten die deelnemen aan het transport Elk van deze ladingen draagt bij tot een capaciteit de doperingsatomen dragen bij tot de junctiecapaciteit de vrije ladingsdragers dragen bij tot de diffusiecapaciteit Jan Genoe: Diode 13 Versie: woensdag 1 oktober 2008 13
Junctiecapaciteit Bepaald door de uitbreiding van de RLL een spanningsverandering (ΔV) geeft een verandering van de lengte van de RLL en dus een ladingsverandering (ΔQ) op de rand van deze laag. C= ΔQ/ΔV De waarde n hangt af van het type junctie n=2 voor een abrupte junctie n=3 voor een lineaire junctie W SCR W, ε Q Q x + A Q Q C J = C Jo 1 V V Jan Genoe: Diode 14 j 1 n Versie: woensdag 1 oktober 2008 14
Diffusie capaciteit Dit is de capaciteit gevormd door de (vrije) ladingsdragers die deelnemen aan het transport Een toename van de spanning (ΔV) levert meer stroom en als een gevolg daarvan ook meer ladingsdragers (ΔQ) in de RLL die deel nemen aan het transport. C= ΔQ/ΔV Deze capaciteit heeft dan ook een gelijkaardige formule als de stroomformule Deze capaciteit is enkel maar bij voorwaartse spanningen belangrijk bijvoorbeeld de uitschakeltijd van een diode C D V V = C t 1 Do e Jan Genoe: Diode 15 Versie: woensdag 1 oktober 2008 15
Kleinsignaalmodel voor de diode Het kleinsignaalmodel van de diode bevat 3 elementen Junctiecapaciteit (C j ) De diffusiecapaciteit (C D ) de geleidbaarheid (g D ) Dit model wordt ook zo in SPICE gebruikt V D + - I D C D C j g (V ) D D g D I = V D D Jan Genoe: Diode 16 Versie: woensdag 1 oktober 2008 16
Schakelen van een diode (grootsignaal) Het afschakelen van een diode vraagt een zeker tijd. Er blijft nog stroom vloeien tot de interne ladingen hun nieuw evenwicht hebben bereikt. Dit komt neer op het ontladen van de diffusie en de junctie capaciteit V D V 1 V 2 t =0 t = T V src Excess lading Ruimteladingslaag R src ON OFF ON V D Time I D Jan Genoe: Diode 17 Versie: woensdag 1 oktober 2008 17
Toepassing diode: De enkelzijdige gelijkrichter zonder condensator met condensator Jan Genoe: Diode 18 Versie: woensdag 1 oktober 2008 18
Andere diodes Schottky diode Halfgeleider-metaal junctie Light emitting diode (LED) Laser diode veel efficiëntere generatie van het licht veel snellere werking (belangrijk voor optische verbindingen) veel gerichtere bundel enkele golflengte (kleur) Zonnecel Jan Genoe: Diode 19 Een Schottky diode wordt gevormd door een metaal en een laaggedopeerd materiaal. In het metaal hebben we geen ontruimingslaag. We hebben ook een veel kleinere ingebouwde spanning. Een LED is een PN-junctie diode gemaakt uit een materiaal waarbij de recombinatie gebeurt onder het uitzenden van licht. Dit is niet het geval voor Si, maar wel voor de meeste III-V en II-VI halfgeleiders. Een laserdiode is een LED waarbij er nog bijkomende lagen voorzien werden zodanig dat er slechts licht van een enkele golflengte gegenereerd wordt. Bovendien wordt het licht gestimuleerd op deze golflengte. Dit levert dus een veel efficiëntere werking. Deze stimulatie gebeurt wel pas vanaf een bepaalde stroomgrens. Laser warmen dan ook vaak sterk op. Een zonnecel is ook een PN-junctie diode. Een zonnecel gebruikt het invallende licht om bijkomende elektronen en gaten te vormen. Dit levert dan ook een bijkomende stroom. Versie: woensdag 1 oktober 2008 19
Zonnecellen Jan Genoe KHLim Universitaire Campus, Gebouw B B-3590 Diepenbeek [1] http://en.wikipedia.org/wiki/solar_cell Versie: woensdag 1 oktober 2008 20
Energie op aarde Jan Genoe: Diode 21 [1] S.M. Benson and F.M. Orr, Sustainability and Energy Conversions, MRS BULLETIN 33, 297 (APRIL 2008) Versie: woensdag 1 oktober 2008 21
Doorsnede zonnecel Ag Pd Ti Si Antireflection layer SiO2 -e n n+ P +hole Aluminum P+ Jan Genoe: Diode 22 Versie: woensdag 1 oktober 2008 22
Zonnecel Een zonnecel is een diode waarbij het invallende licht ladingsdragers genereert in de RLL Afhankelijk van de generatie (G) krijgen we de volgende karakteristieken Elke karakteristiek is gekenmerkt door zijn kortsluitstroom (I sc ) en zijn open klemmen spanning (V oc ) De zonnecel levert vermogen wanneer de spanning en stroom tegengesteld teken hebben: P = -I V G = 0 G1 I I sc1 V V oc1 V oc2 G2 I sc2 Jan Genoe: Diode 23 Versie: woensdag 1 oktober 2008 23
Netwerkequivalent van een zonnecel Een diode met een stroombron in parallel Er is ook altijd een serieweerstand (r s ) die maakt dat de karakteristieken niet ideaal zijn I current lost in diode useful current r =0 s r s r s V oc I sc V I sc Jan Genoe: Diode 24 V diodes Toepassing: De IC in een zakrekenmachine heeft een spanning nodig gelegen tussen 4.5 V en 5.5 V om goed te kunnen werken. We willen zonnecellen gebruiken om deze rekenmachine te laten werken. Hoe kunnen we dit doen? Kies een serieschakeling van 7 Si PN junctie zonnecellen met een kleine serieweerstand of een serieschakeling van 8 Si PN junctiezonnecellen als de serieweerstand van de zonnecellen groot is en de IC redelijk wat stroom vraagt. P.S. In de handel verkrijgbare zonnecellen hebben vaak reeds een aantal in serie staan. Versie: woensdag 1 oktober 2008 24
Fill factor De fill factor is een maat voor de kwaliteit van een zonnecel Hiervoor wordt het maximaal bekomen vermogen bij een bepaalde lichtinval vergeleken met wat ideaal zou kunnen bekomen worden I F = I M SC V V M OCI V M V oc V I M I sc M Jan Genoe: Diode 25 Versie: woensdag 1 oktober 2008 25
Rendement van een zonnecel Het rendement van een zonnecel is de verhouding tussen het aantal invallende fotonen (lichtdeeltjes) en het bekomen aantal elektronen. Goede, maar dure, zonnecellen halen een rendement van 20-25 % Zonnecellen voor massaproductie hebben een rendement van ongeveer 10 % Jan Genoe: Diode 26 Versie: woensdag 1 oktober 2008 26
Efficiëntie (%) 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 1975 Rendement van een zonnecel (onderzoek) Multijunction Concentrators Three-junction (2-terminal, monolithic) Two-junction (2-terminal, monolithic) Crystalline Si Cells Single crystal Multicrystalline Thin Si Thin Film Technologies Cu(In,Ga)Se 2 CdTe Amorf Si:H (stabilized) Masushita RCA Emerging PV Organische cellen Monosolar Boeing Boeing 1980 Kodak University of Maine RCA RCA RCA RCA Westinghouse ARCO No. Carolina State University RCA Kodak Boeing RCA Solarex Spire 1985 Solarex Stanford ARCO AstroPower Varian AMETEK Boeing Spire UNSW Georgia Tech University So. Florida Photon Energy 1990 Boeing NREL UNSW Sharp NREL Euro-CIS Japan Energy UNSW 1995 UNSW UNSW Georgia Tech NREL United Solar NREL/ Spectrolab NREL Cu(In,Ga)Se 2 14x concentration UNSW NREL NREL NREL University Konstanz NREL AstroPower United Solar Spectrolab 2000 Spectrolab NREL University California Berkeley Princeton NREL Jan Genoe: Diode 27 Versie: woensdag 1 oktober 2008 27
Evolutie van module prijs en prestatie module prijs ( /Wp) 4 3 2 1 0 OSC technologie families tf-si, CdTe, & CIGSS c-si new concepts 2005 2010 technologie generaties 2020 >2030 0 5 10 15 20 25 module efficiëntie (%) tf-si = dunne film silicium CIGSS = copper-indium/galliumselenium/sulfur CdTe = cadmium telluride c-si = wafer-type kristallijn silicium OSC = organische zonnecellen nieuwe concepten = geavanceerde versies van bestaande technologieën & nieuwe conversie principes (vrij naar W. Hoffmann) Jan Genoe: Diode 28 Versie: woensdag 1 oktober 2008 28
LED (Light Emitting Diode) Versie: woensdag 1 oktober 2008 29
De LED Een LED is een diode waarin de ladingsdragers onder voorwaartse stroom recombineren onder het uitzenden van licht. De lichtopbrengst is evenredig met de stroom. In principe genereert elk elektron een foton (lichtdeeltje) In de praktijk is er slechts een percentage de elektronen die bijdrage tot de lichtopbrengst (15 tot 50 %) Dit noemt men de efficiëntie of kwantumefficiëntie van de LED De maximale snelheid van een LED is beperkt tot de recombinatiesnelheid van de ladingsdragers Een LED is dus niet geschikt voor hoogfrequent data transmissie Jan Genoe: Diode 30 Toepassing: Een rode AlGaAs LED (HLMP-D155 van HP) levert 10 mcd wanneer er een stroom doorloopt van 1 ma. De voorwaartse spanning is dan 1.6 V. Wanneer we dit LEDje willen gebruiken op een digitale lijn om aan te geven dat een signaal S hoog (5 V) is, gebruiken we de volgende schakeling: Voor R moeten we in dit geval 3.4 KΩ kiezen. Veronderstel dat de bekomen intensiteit te hoog is, kunnen we door R 34 kω te kiezen de bekomen lichtintensiteit delen door 10, dus 1 mcd. Een schakeling die moet aangeven dat S een laag signaal is, wordt dan als het volgt uitgevoerd: S 0 V 5 R R S Versie: woensdag 1 oktober 2008 30
Light-emitting diode top contact Light Emitting Diode - p n + - - + - + - - + + + h e - stroombron bodem contact Jan Genoe: Diode 31 Versie: woensdag 1 oktober 2008 31
Light-emitting diode n aktieve laag p Energie E Het materiaal van de aktieve laag bepaalt de kleur p - n + - + + - - - + + + - h e - Jan Genoe: Diode 32 Versie: woensdag 1 oktober 2008 32
LED colors AlGaInP kleur range InGaN Kleur range white AlGaAs kleur range Jan Genoe: Diode 33 Versie: woensdag 1 oktober 2008 33
Witte LEDs Rood + Groen + Blauwe LEDs Blauwe LED + Gele phosphor + Efficient + Breed kleur spectrum + Dynamische kleur verandering + Simpel + Lage kost Jan Genoe: Diode 34 Versie: woensdag 1 oktober 2008 34
Conversie efficiëntie Energie efficiëntie 50% Lasers LEDs (research) 40% LEDs (productie) 30% 20% Fluorescente lamp (TL) 10% Halogeen 5% Gloeilamp Gefilterde gloeilamp 19% van het elektriciteitsverbruik 19% van het elektriciteitsverbruik Daarvan: gemiddelde efficientie In de wereld gaat naar verlichting In de wereld gaat naar verlichting nog nogsteeds niet nietveel veelboven boven5% 5% Jan Genoe: Diode 35 Bron energieverbruik en efficientie: [1] J Norman Bardsley, Solid State Lighting: a US Perspective, OSC 2008 Organic Semiconductor Conference (OSC-08), 29 September-1 October 2008, Frankfurt, Germany Versie: woensdag 1 oktober 2008 35
Electriciteit besparen kan wel Jan Genoe: Diode 36 [1] J Norman Bardsley, Solid State Lighting: a US Perspective, OSC 2008 Organic Semiconductor Conference (OSC-08), 29 September-1 October 2008, Frankfurt, Germany Versie: woensdag 1 oktober 2008 36
Evolutie van de efficiëntie Jan Genoe: Diode 37 Versie: woensdag 1 oktober 2008 37
Voordelen van LEDs Energie efficiëntie: LEDs gebruiken 50-90% minder energie dan gloeilampen en halaogeenlampen Levensduur: LEDs leven tot 100 000 uren in vergelijking met 1000 voor typische gloeilampen Betrouwbaarheid: LEDs zijn vaste stof componenten geen glas of gloeidraden die kunnen breken kleine afmetingen: μm - mm Grote range van kleuren zonder dat er filters moeten gebruikt worden Zeer snelle aanschakeltijd Geen UV of IR emissie Volledig dimbaar zonder dat er een variatie op de kleur gaat optreden Jan Genoe: Diode 38 Versie: woensdag 1 oktober 2008 38
Huidige toepassingen van LEDs Signalisatie GSM, PDA, Auto Tekens & Displays Jan Genoe: Diode 39 Versie: woensdag 1 oktober 2008 39
Huidige toepassingen van LEDs Architecturale verlichting Decoratieve verlichting Entertainment verlichting Algemene verlichting Jan Genoe: Diode 40 Versie: woensdag 1 oktober 2008 40
Toekomstige toepassingen van LEDs Efficiëntie Total optisch vermogen Prijs\lumen Kleur rendering (juiste wit) Aankondiging AankondigingNokia Nieuwe NieuweGSM met met OLED OLED display display Vanaf Vanafdec dec2007 Energiebesparing: Energiebesparing: 50 50 % AlGaInP InGaN AlGaAs Jan Genoe: Diode 41 Versie: woensdag 1 oktober 2008 41
De LASER Een laser is een LED die een zodanige lagenstructuur heeft dat Het uitzenden van licht bij een bepaalde golflengte gestimuleerd wordt Het uitzenden van licht bij een andere golflengte verhinderd wordt Hierdoor bekomen we licht van een welbepaalde kleur Het stimuleren van de recombinatie houdt ook in dat de recombinatie sneller gebeurt dan normaal LASERs kunnen dan ook lichtsignalen van een heel hoge frequentie doorsturen LASERs worden gebruikt voor data communicatie via glasvezel Jan Genoe: Diode 42 Versie: woensdag 1 oktober 2008 42