Teknologi Industri
Manufaktur industri
S dioda chottky terbuat dari logam sambungan -ke-N daripada sambungan semikonduktor P-N. Juga dikenal sebagai pembawa panas dioda, dioda Schottky dicirikan oleh waktu peralihan yang cepat (waktu pemulihan balik yang rendah), penurunan tegangan maju yang rendah (biasanya 0,25 hingga 0,4 volt untuk sambungan logam-silikon), dan kapasitansi sambungan yang rendah.
Simbol skema dioda Schottky ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Simbol skema dioda Schottky.
Jatuh tegangan maju (VF), waktu pemulihan balik (trr), dan kapasitansi sambungan (CJ) dioda Schottky lebih dekat ke ideal daripada rata-rata dioda "penyearah". Hal ini membuat mereka cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi. Sayangnya, dioda Schottky biasanya memiliki peringkat arus maju (IF) dan tegangan balik (VRRM dan VDC) yang lebih rendah daripada dioda penyearah dan karenanya tidak cocok untuk aplikasi yang melibatkan daya dalam jumlah besar. Meskipun mereka digunakan dalam catu daya regulator switching tegangan rendah.
Teknologi dioda Schottky menemukan aplikasi luas di sirkuit komputer berkecepatan tinggi, di mana waktu peralihan yang cepat sama dengan kemampuan kecepatan tinggi, dan penurunan tegangan maju yang rendah sama dengan disipasi daya yang lebih sedikit saat melakukan.
Switching regulator catu daya yang beroperasi pada 100 kHz tidak dapat menggunakan dioda silikon konvensional sebagai penyearah karena kecepatan switching yang lambat. Ketika sinyal yang diterapkan pada dioda berubah dari bias maju ke bias mundur, konduksi berlanjut untuk waktu yang singkat, sementara pembawa tersapu keluar dari daerah deplesi. Konduksi hanya berhenti setelah tr waktu pemulihan terbalik telah kadaluwarsa. Dioda Schottky memiliki waktu pemulihan terbalik yang lebih pendek.
Terlepas dari kecepatan switching, penurunan tegangan maju 0,7 V dari dioda silikon menyebabkan efisiensi yang buruk pada suplai tegangan rendah. Ini bukan masalah, katakanlah, suplai 10 V. Dalam suplai 1 V, penurunan 0,7 V adalah sebagian besar dari output. Salah satu solusinya adalah dengan menggunakan dioda daya schottky yang memiliki drop forward yang lebih rendah.
Dioda terowongan memanfaatkan fenomena kuantum aneh yang disebut penerowongan resonansi untuk memberikan karakteristik bias maju resistensi negatif. Ketika tegangan bias maju kecil diterapkan di dioda terowongan, ia mulai menghantarkan arus. (Gambar di bawah (b)) Saat tegangan dinaikkan, arus meningkat dan mencapai nilai puncak yang disebut arus puncak (AKU P). Jika tegangan dinaikkan sedikit lagi, arus sebenarnya mulai menurun sampai mencapai titik rendah yang disebut arus lembah (IV). Jika tegangan dinaikkan lebih jauh, arus mulai meningkat lagi, kali ini tanpa menurun ke "lembah" lain. Simbol skema untuk dioda terowongan ditunjukkan pada gambar (a) di bawah ini.
Dioda terowongan (a) Simbol skema. (b) Plot arus vs tegangan (c) Osilator.
Tegangan maju yang diperlukan untuk menggerakkan dioda terowongan ke arus puncak dan lembahnya masing-masing dikenal sebagai tegangan puncak (VP) dan tegangan lembah (VV). Daerah pada grafik di mana arus berkurang sementara tegangan yang diberikan meningkat (antara VP dan VV pada skala horizontal) dikenal sebagai daerah resistensi negatif .
Dioda terowongan, juga dikenal sebagai Dioda Esaki untuk menghormati penemu Jepang mereka Leo Esaki, dapat melakukan transisi antara tingkat arus puncak dan lembah dengan sangat cepat, "beralih" antara keadaan konduksi tinggi dan rendah jauh lebih cepat daripada dioda Schottky. Karakteristik dioda terowongan juga relatif tidak terpengaruh oleh perubahan suhu.
Tegangan tembus terbalik versus tingkat doping. Setelah Ukuran [SGG]
Dioda terowongan banyak didoping baik di daerah P dan N, 1000 kali tingkat di penyearah. Hal ini dapat dilihat pada gambar di atas. Dioda standar berada di paling kiri, dioda zener di dekat kiri, dan dioda terowongan di sebelah kanan garis putus-putus. Doping berat menghasilkan daerah penipisan yang sangat tipis. Ini menghasilkan tegangan tembus balik yang sangat rendah dengan kebocoran tinggi. Daerah penipisan yang tipis menyebabkan kapasitansi yang tinggi. Untuk mengatasinya, area persimpangan dioda terowongan harus kecil.
Karakteristik dioda maju terdiri dari dua wilayah:karakteristik dioda maju normal dengan arus naik secara eksponensial melampaui VF, 0,3 V untuk Ge, 0,7 V untuk Si.
Antara 0 V dan VF adalah puncak karakteristik "resistensi negatif" tambahan. Hal ini disebabkan terowongan mekanika kuantum yang melibatkan sifat gelombang partikel ganda elektron. Daerah penipisan cukup tipis dibandingkan dengan panjang gelombang ekivalen elektron yang dapat mereka tembus. Mereka tidak harus mengatasi tegangan VF dioda maju normal. Tingkat energi pita konduksi bahan tipe-N tumpang tindih dengan tingkat pita valensi di wilayah tipe-P. Dengan meningkatnya tegangan, tunneling dimulai; tingkat tumpang tindih; arus meningkat, sampai titik tertentu. Saat arus meningkat lebih jauh, tingkat energi tumpang tindih lebih sedikit; arus berkurang dengan meningkatnya tegangan. Ini adalah bagian "resistensi negatif" dari kurva.
Dioda terowongan bukanlah penyearah yang baik, karena memiliki arus “kebocoran” yang relatif tinggi ketika dibias mundur. Akibatnya, mereka menemukan aplikasi hanya di sirkuit khusus di mana efek terowongan unik mereka memiliki nilai. Untuk memanfaatkan efek terowongan, dioda ini dipertahankan pada tegangan bias di suatu tempat antara tingkat tegangan puncak dan lembah, selalu dalam polaritas bias maju (anoda positif, dan katoda negatif).
Mungkin aplikasi yang paling umum dari dioda terowongan adalah dalam rangkaian osilator frekuensi tinggi sederhana seperti pada gambar (c) di atas, di mana ia memungkinkan sumber tegangan DC untuk menyumbangkan daya ke rangkaian "tangki" LC, dioda melakukan ketika tegangan melintasinya mencapai tingkat puncak (terowongan) dan secara efektif mengisolasi semua tegangan lainnya. Resistor membiaskan dioda terowongan pada beberapa persepuluh volt yang berpusat pada bagian resistansi negatif dari kurva karakteristik. Rangkaian resonansi L-C mungkin merupakan bagian dari pandu gelombang untuk operasi gelombang mikro. Osilasi hingga 5 GHz dimungkinkan.
Pada suatu waktu dioda terowongan adalah satu-satunya penguat gelombang mikro solid-state yang tersedia. Dioda terowongan mulai populer sejak tahun 1960-an. Mereka hidup lebih lama daripada amplifier tabung gelombang berjalan, pertimbangan penting dalam pemancar satelit. Dioda terowongan juga tahan terhadap radiasi karena doping yang berat.
Saat ini berbagai transistor beroperasi pada frekuensi gelombang mikro. Bahkan dioda terowongan sinyal kecil mahal dan sulit ditemukan saat ini. Ada satu produsen yang tersisa dari dioda terowongan germanium, dan tidak ada untuk perangkat silikon. Mereka terkadang digunakan dalam peralatan militer karena tidak sensitif terhadap radiasi dan perubahan suhu yang besar.
Ada beberapa penelitian yang melibatkan kemungkinan integrasi dioda terowongan silikon ke dalam sirkuit terpadu CMOS. Mereka dianggap mampu beralih pada 100 GHz di sirkuit digital. Satu-satunya produsen perangkat germanium memproduksinya satu per satu. Proses batch untuk dioda terowongan silikon harus dikembangkan, kemudian diintegrasikan dengan proses CMOS konvensional. [SZL]
Dioda terowongan Esaki tidak boleh disamakan dengan dioda penerowongan resonansi CH 2, konstruksi yang lebih kompleks dari semikonduktor majemuk. RTD adalah pengembangan yang lebih baru dengan kecepatan lebih tinggi.
Dioda, seperti semua perangkat semikonduktor, diatur oleh prinsip-prinsip yang dijelaskan dalam fisika kuantum. Salah satu prinsip ini adalah emisi energi radiasi frekuensi spesifik setiap kali elektron jatuh dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah.
Ini adalah prinsip yang sama yang bekerja di lampu neon, karakteristik cahaya merah muda-oranye dari neon terionisasi karena transisi energi spesifik elektronnya di tengah arus listrik. Warna unik dari cahaya lampu neon disebabkan oleh fakta bahwa neon gas di dalam tabung, dan bukan karena jumlah tertentu arus melalui tabung atau tegangan antara dua elektroda. Gas neon bersinar oranye-merah muda pada berbagai tegangan dan arus pengion. Setiap elemen kimia memiliki emisi "tanda tangan" energi radiasinya sendiri ketika elektronnya "melompat" di antara tingkat energi terkuantisasi yang berbeda. Gas hidrogen, misalnya, bersinar merah ketika terionisasi; uap merkuri bersinar biru. Inilah yang memungkinkan identifikasi spektrografi elemen.
Elektron yang mengalir melalui persimpangan PN mengalami transisi yang sama dalam tingkat energi, dan memancarkan energi radiasi saat mereka melakukannya. Frekuensi energi radiasi ini ditentukan oleh struktur kristal bahan semikonduktor, dan unsur-unsur yang menyusunnya. Beberapa sambungan semikonduktor, terdiri dari kombinasi kimia khusus, memancarkan energi radiasi dalam spektrum cahaya tampak saat elektron mengubah tingkat energi. Sederhananya, persimpangan ini bersinar ketika bias maju. Dioda yang sengaja dirancang untuk bersinar seperti lampu disebut dioda pemancar cahaya , atau LED .
Dioda silikon bias maju mengeluarkan panas sebagai elektron dan lubang dari daerah tipe-N dan tipe-P, masing-masing, bergabung kembali di persimpangan. Dalam LED bias maju, rekombinasi elektron dan lubang di wilayah aktif pada Gambar (c) di bawah menghasilkan foton. Proses ini dikenal sebagai electroluminescence . Untuk mengeluarkan foton, penghalang potensial di mana elektron jatuh harus lebih tinggi daripada dioda silikon. Penurunan dioda maju dapat berkisar hingga beberapa volt untuk beberapa LED warna.
Dioda yang terbuat dari kombinasi unsur galium, arsenik, dan fosfor (disebut gallium-arsenida-fosfida ) bersinar merah terang, dan merupakan beberapa LED yang paling umum diproduksi. Dengan mengubah konstituen kimia sambungan PN, warna yang berbeda dapat diperoleh. Generasi awal LED berwarna merah, hijau, kuning, oranye, dan inframerah, generasi selanjutnya termasuk biru dan ultraviolet, dengan ungu menjadi warna terbaru yang ditambahkan ke seleksi. Warna lain dapat diperoleh dengan menggabungkan dua atau lebih LED warna primer (merah, hijau, dan biru) bersama-sama dalam paket yang sama, berbagi lensa optik yang sama. Ini memungkinkan LED multiwarna, seperti LED triwarna (tersedia secara komersial pada 1980-an) menggunakan merah dan hijau (yang dapat menghasilkan warna kuning) dan LED RGB yang lebih baru (merah, hijau, dan biru), yang mencakup seluruh spektrum warna.
Simbol skema untuk LED adalah bentuk dioda biasa di dalam lingkaran, dengan dua panah kecil mengarah ke luar (menunjukkan cahaya yang dipancarkan), ditunjukkan pada Gambar (a) di bawah ini.
LED, Light Emitting Diode:(a) simbol skema. (b) Sisi datar dan kabel pendek perangkat sesuai dengan katoda, serta pengaturan internal katoda. (c) Penampang Led mati.
Notasi memiliki dua panah kecil yang menunjuk menjauh dari perangkat ini umum untuk simbol skema semua perangkat semikonduktor pemancar cahaya. Sebaliknya, jika perangkat diaktifkan light (artinya cahaya yang masuk merangsangnya), maka simbol akan memiliki dua panah kecil yang menunjuk ke arah dia. LED dapat merasakan cahaya. Mereka menghasilkan tegangan kecil ketika terkena cahaya, seperti sel surya dalam skala kecil. Properti ini dapat diterapkan secara menguntungkan di berbagai sirkuit penginderaan cahaya.
Karena LED terbuat dari bahan kimia yang berbeda dari dioda silikon, penurunan tegangan majunya akan berbeda. Biasanya, LED memiliki penurunan tegangan maju yang jauh lebih besar daripada dioda penyearah, mulai dari sekitar 1,6 volt hingga lebih dari 3 volt, tergantung pada warnanya. Arus operasi tipikal untuk LED berukuran standar adalah sekitar 20 mA. Saat mengoperasikan LED dari sumber tegangan DC yang lebih besar dari tegangan maju LED, resistor "jatuh" yang terhubung seri harus disertakan untuk mencegah tegangan sumber penuh merusak LED. Perhatikan contoh rangkaian pada Gambar (a) di bawah ini menggunakan sumber 6 V.
Mengatur arus LED pada 20 ma. (a) untuk sumber 6 V, (b) untuk sumber 24 V.
Dengan LED turun 1,6 volt, akan ada 4,4 volt turun di resistor. Mengukur resistor untuk arus LED 20 mA semudah mengambil penurunan tegangan (4,4 volt) dan membaginya dengan arus rangkaian (20 mA), sesuai dengan Hukum Ohm (R=E/I). Ini memberi kita angka 220 .
Menghitung disipasi daya untuk resistor 220 ini, kami mengambil penurunan tegangan dan mengalikannya dengan arusnya (P=IE), dan menghasilkan 88 mW, jauh di dalam nilai resistor 1/8 watt.
Tegangan baterai yang lebih tinggi akan membutuhkan resistor penurunan nilai yang lebih besar, dan mungkin resistor peringkat daya yang lebih tinggi juga. Perhatikan contoh pada Gambar (b) di atas untuk tegangan suplai 24 volt:
Di sini, resistor jatuh harus dinaikkan ke ukuran 1,12 kΩ untuk menjatuhkan 22,4 volt pada 20 mA sehingga LED masih menerima hanya 1,6 volt. Ini juga menghasilkan disipasi daya resistor yang lebih tinggi:448 mW, hampir setengah watt daya! Jelas, resistor yang memiliki daya disipasi 1/8 watt atau bahkan disipasi 1/4 watt akan menjadi terlalu panas jika digunakan di sini.
Menjatuhkan nilai resistor tidak perlu tepat untuk rangkaian LED. Misalkan kita menggunakan resistor 1 kΩ alih-alih resistor 1,12 kΩ dalam rangkaian yang ditunjukkan di atas. Hasilnya adalah arus rangkaian dan penurunan tegangan LED yang sedikit lebih besar, menghasilkan cahaya yang lebih terang dari LED dan masa pakai yang sedikit berkurang. Resistor yang jatuh dengan hambatan yang terlalu besar (misalnya, 1,5 kΩ bukannya 1,12 kΩ) akan menghasilkan arus rangkaian yang lebih sedikit, tegangan LED yang lebih sedikit, dan lampu yang lebih redup. LED cukup toleran terhadap variasi daya yang diterapkan, jadi Anda tidak perlu berusaha keras untuk mencapai kesempurnaan dalam menentukan ukuran resistor yang jatuh.
Beberapa LED terkadang diperlukan, katakanlah dalam pencahayaan. Jika LED dioperasikan secara paralel, masing-masing harus memiliki resistor pembatas arus sendiri seperti pada Gambar (a) di bawah ini untuk memastikan pembagian arus lebih merata. Namun, lebih efisien untuk mengoperasikan LED secara seri (Gambar (b) di bawah dengan resistor jatuh tunggal. Dengan meningkatnya jumlah LED seri, nilai resistor seri harus dikurangi untuk mempertahankan arus, ke titik tertentu. Jumlah LED secara seri (Vf) tidak dapat melebihi kemampuan catu daya. Beberapa rangkaian seri dapat digunakan seperti pada Gambar (c) di bawah.
Meskipun menyamakan arus di beberapa LED, kecerahan perangkat mungkin tidak cocok karena variasi di masing-masing bagian. Bagian dapat dipilih untuk pencocokan kecerahan untuk aplikasi penting.
Beberapa LED:(a) Secara paralel, (b) secara seri, (c) seri-paralel
Juga karena susunan kimianya yang unik, LED memiliki peringkat tegangan terbalik puncak (PIV) yang jauh lebih rendah daripada dioda penyearah biasa. LED tipikal mungkin hanya diberi nilai 5 volt dalam mode bias terbalik. Oleh karena itu, saat menggunakan arus bolak-balik untuk menyalakan LED, sambungkan dioda penyearah pelindung anti-paralel dengan LED untuk mencegah kerusakan terbalik setiap setengah siklus lainnya seperti pada Gambar (a) di bawah ini.
Mengemudikan LED dengan AC
Dioda antiparalel pada Gambar (a) di atas dapat diganti dengan LED antiparalel. Sepasang LED anti-paralel yang dihasilkan menyala pada setengah siklus bolak-balik gelombang sinus AC. Konfigurasi ini menarik 20 mA, membaginya secara merata antara LED pada setengah siklus AC bergantian. Setiap LED hanya menerima 10 mA karena pembagian ini. Hal yang sama berlaku untuk kombinasi anti-paralel LED dengan penyearah. LED hanya menerima 10 ma. Jika 20 mA diperlukan untuk LED, Nilai resistor dapat dibagi dua.
Jatuh tegangan maju LED berbanding terbalik dengan panjang gelombang (λ). Ketika panjang gelombang menurun dari inframerah ke warna tampak ke ultraviolet, Vf meningkat. Meskipun tren ini paling jelas terlihat di berbagai perangkat dari satu pabrikan, Kisaran tegangan untuk LED warna tertentu dari berbagai pabrikan berbeda-beda. Rentang tegangan ini ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Sifat optik dan listrik LED
Sebagai lampu, LED lebih unggul daripada lampu pijar dalam banyak hal.
Pertama dan terpenting adalah efisiensi:LED menghasilkan daya cahaya yang jauh lebih banyak per watt input listrik daripada lampu pijar. Ini adalah keuntungan yang signifikan jika sirkuit yang dimaksud bertenaga baterai, efisiensi berarti masa pakai baterai lebih lama.
Kedua adalah fakta bahwa LED jauh lebih andal, memiliki masa pakai yang jauh lebih lama daripada lampu pijar. Ini karena LED adalah perangkat "dingin":mereka beroperasi pada suhu yang jauh lebih dingin daripada lampu pijar dengan filamen logam putih-panas, rentan terhadap kerusakan akibat kejutan mekanis dan termal.
Ketiga adalah kecepatan tinggi di mana LED dapat dinyalakan dan dimatikan. Keuntungan ini juga karena pengoperasian LED yang "dingin":LED tidak harus mengatasi inersia termal dalam transisi dari mati ke hidup atau sebaliknya. Untuk alasan ini, LED digunakan untuk mengirimkan informasi digital (hidup/mati) sebagai pulsa cahaya, dilakukan di ruang kosong atau melalui kabel serat optik, pada kecepatan yang sangat tinggi (jutaan pulsa per detik).
LED unggul dalam aplikasi pencahayaan monokromatik seperti lampu lalu lintas dan lampu belakang otomotif. Pijar sangat buruk dalam aplikasi ini karena membutuhkan penyaringan, mengurangi efisiensi. LED tidak memerlukan pemfilteran.
Salah satu kelemahan utama menggunakan LED sebagai sumber penerangan adalah emisi monokromatiknya (satu warna). Tidak seorang pun ingin membaca buku di bawah cahaya LED merah, hijau, atau biru. Namun, jika digunakan dalam kombinasi, warna LED dapat dicampur untuk spektrum cahaya yang lebih luas. Sumber cahaya spektrum luas baru adalah LED putih. Sementara indikator panel putih kecil telah tersedia selama bertahun-tahun, perangkat tingkat penerangan masih dalam pengembangan.
Efisiensi pencahayaan
LED putih adalah LED biru yang menarik fosfor yang memancarkan cahaya kuning. Biru plus kuning mendekati cahaya putih. Sifat fosfor menentukan karakteristik cahaya. Sebuah fosfor merah dapat ditambahkan untuk meningkatkan kualitas campuran kuning ditambah biru dengan mengorbankan efisiensi. Tabel di atas membandingkan LED penerangan putih dengan perangkat masa depan yang diharapkan dan lampu konvensional lainnya. Efisiensi diukur dalam lumen keluaran cahaya per watt daya masukan. Jika perangkat 50 lumen/watt dapat ditingkatkan menjadi 100 lumen/watt, LED putih akan sebanding dengan efisiensi lampu neon kompak.
Sejarah LED
LED secara umum telah menjadi subjek utama R&D sejak tahun 1960-an. Karena itu, tidak praktis untuk mencakup semua geometri, kimia, dan karakteristik yang telah dibuat selama beberapa dekade. Perangkat awal relatif redup dan mengambil arus moderat. Efisiensi telah ditingkatkan pada generasi selanjutnya sampai-sampai berbahaya untuk melihat dari dekat dan langsung ke LED yang menyala. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan mata, dan LED hanya membutuhkan sedikit peningkatan tegangan jatuh (Vf) dan arus. Perangkat intensitas tinggi modern telah mencapai 180 lumen menggunakan 0,7 Amps (82 lumens/watt, seri Luxeon Rebel cool white), dan model intensitas yang lebih tinggi bahkan dapat menggunakan arus yang lebih tinggi dengan peningkatan kecerahan yang sesuai. Perkembangan lain, seperti titik-titik kuantum, adalah subjek penelitian saat ini, jadi diharapkan untuk melihat hal-hal baru untuk perangkat ini di masa mendatang
dioda laser adalah pengembangan lebih lanjut dari dioda pemancar cahaya biasa, atau LED. Istilah "laser" itu sendiri sebenarnya adalah akronim, meskipun faktanya sering ditulis dalam huruf kecil. “Laser” adalah singkatan dari L ight A mplifikasi oleh S terstimulasi E misi R adiasi, dan mengacu pada proses kuantum aneh lainnya di mana cahaya karakteristik yang dipancarkan oleh elektron yang jatuh dari tingkat energi tinggi ke tingkat rendah dalam suatu bahan merangsang elektron lain dalam suatu zat untuk membuat "lompatan" serupa, hasilnya menjadi output cahaya yang disinkronkan dari bahan. Sinkronisasi ini meluas ke fase yang sebenarnya dari cahaya yang dipancarkan, sehingga semua gelombang cahaya yang dipancarkan dari bahan penguat tidak hanya frekuensi (warna) yang sama, tetapi juga fase yang sama satu sama lain, sehingga saling memperkuat dan dapat merambat dalam jarak yang sangat jauh. balok yang tidak menyebar dan terkekang rapat. Inilah sebabnya mengapa sinar laser tetap sangat terfokus pada jarak yang jauh:setiap gelombang cahaya yang datang dari laser berjalan satu sama lain.
(a) Cahaya putih dengan banyak panjang gelombang. (b) Lampu LED monokromatik, panjang gelombang tunggal. (c) Sinar laser koheren fase.
Lampu pijar menghasilkan cahaya "putih" (frekuensi campuran, atau warna campuran) seperti pada gambar (a) di atas. LED biasa menghasilkan cahaya monokromatik:frekuensi (warna) yang sama, tetapi fase yang berbeda, menghasilkan dispersi sinar yang serupa pada gambar (b). LED laser menghasilkan cahaya koheren :cahaya yang bersifat monokromatik (satu warna) dan monofasik (fase tunggal), menghasilkan kurungan berkas yang tepat seperti pada gambar (c).
Sinar laser menemukan aplikasi yang luas di dunia modern:mulai dari survei, di mana sinar lurus dan tidak menyebar sangat berguna untuk melihat penanda pengukuran secara tepat, hingga membaca dan menulis cakram optik, di mana hanya fokus laser yang sempit. beam mampu menyelesaikan "lubang" mikroskopis di permukaan disk yang terdiri dari informasi digital biner 1 dan 0.
Beberapa dioda laser memerlukan sirkuit "berdenyut" daya tinggi khusus untuk mengirimkan tegangan dan arus dalam jumlah besar dalam semburan pendek. Dioda laser lainnya dapat dioperasikan terus menerus pada daya yang lebih rendah. Dalam laser kontinu, aksi laser hanya terjadi dalam kisaran arus dioda tertentu, yang memerlukan beberapa bentuk rangkaian pengatur arus. Seiring bertambahnya usia dioda laser, kebutuhan dayanya dapat berubah (lebih banyak arus yang diperlukan untuk daya keluaran yang lebih sedikit), tetapi harus diingat bahwa dioda laser berdaya rendah, seperti LED, adalah perangkat yang berumur panjang, dengan masa pakai tipikal dalam puluhan tahun. ribuan jam.
Sebuah fotodioda adalah dioda yang dioptimalkan untuk menghasilkan aliran arus elektron sebagai respons terhadap penyinaran oleh sinar ultraviolet, sinar tampak, atau inframerah. Silikon paling sering digunakan untuk membuat fotodioda; meskipun, germanium dan galium arsenida dapat digunakan. Sambungan tempat cahaya memasuki semikonduktor harus cukup tipis untuk melewatkan sebagian besar cahaya ke daerah aktif (daerah penipisan) tempat cahaya diubah menjadi pasangan lubang elektron.
Pada gambar di bawah, difusi tipe-P dangkal ke dalam wafer tipe-N menghasilkan sambungan PN di dekat permukaan wafer. Lapisan tipe-P harus tipis untuk melewatkan cahaya sebanyak mungkin. Difusi N+ berat di bagian belakang wafer membuat kontak dengan metalisasi. Metalisasi atas mungkin berupa kisi-kisi halus jari-jari logam di bagian atas wafer untuk sel-sel besar. Dalam fotodioda kecil, kontak atas mungkin berupa kawat ikatan tunggal yang menyentuh bagian atas silikon tipe-P.
Fotodioda:Simbol skematik dan penampang.
Intensitas cahaya yang memasuki bagian atas tumpukan fotodioda turun secara eksponensial sebagai fungsi kedalaman. Lapisan tipe-P atas yang tipis memungkinkan sebagian besar foton masuk ke daerah penipisan di mana pasangan lubang elektron terbentuk. Medan listrik melintasi daerah penipisan karena potensi dioda yang terpasang menyebabkan elektron tersapu ke lapisan-N, lubang ke lapisan-P.
Sebenarnya, pasangan elektron-lubang dapat terbentuk di salah satu daerah semikonduktor. Namun, yang terbentuk di daerah penipisan kemungkinan besar akan dipisahkan menjadi masing-masing daerah N dan P. Banyak pasangan elektron-lubang yang terbentuk di daerah P dan N bergabung kembali. Hanya sedikit yang melakukannya di daerah deplesi. Jadi, beberapa pasangan elektron-hole di daerah N dan P, dan sebagian besar di daerah deplesi berkontribusi pada arus foto , arus yang dihasilkan dari cahaya yang jatuh pada fotodioda.
Operasi Fotodioda
Tegangan keluar dari fotodioda dapat diamati. Operasi di fotovoltaik . ini (PV) mode tidak linier pada rentang dinamis yang besar, meskipun sensitif dan memiliki noise rendah pada frekuensi kurang dari 100 kHz. Mode operasi yang disukai sering kali photocurrent (PC) mode karena arus berbanding lurus dengan fluks cahaya selama beberapa dekade intensitas, dan respons frekuensi yang lebih tinggi dapat dicapai. Mode PC dicapai dengan bias mundur atau bias nol pada fotodioda. Penguat arus (penguat transimpedansi) harus digunakan dengan fotodioda dalam mode PC. Linearitas dan mode PC dicapai selama dioda tidak menjadi bias maju.
Operasi kecepatan tinggi sering diperlukan dari fotodioda, berbeda dengan sel surya. Kecepatan adalah fungsi kapasitansi dioda, yang dapat diminimalkan dengan mengurangi luas sel. Jadi, sensor untuk sambungan serat optik berkecepatan tinggi akan menggunakan area yang tidak lebih besar dari yang diperlukan, katakanlah 1 mm2. Kapasitansi juga dapat diturunkan dengan meningkatkan ketebalan daerah penipisan, dalam proses manufaktur atau dengan meningkatkan bias balik pada dioda.
Berbagai Jenis Dioda PIN
dioda PIN dioda p-i-n atau PIN diode adalah fotodioda dengan lapisan intrinsik antara daerah P dan N seperti pada gambar di bawah. P -Saya ntrinsik-N struktur meningkatkan jarak antara lapisan konduktif P dan N, mengurangi kapasitansi, meningkatkan kecepatan. Volume wilayah fotosensitif juga meningkat, meningkatkan efisiensi konversi. Bandwidth dapat diperpanjang hingga 10 GHz. Fotodioda PIN lebih disukai untuk sensitivitas tinggi, dan kecepatan tinggi dengan biaya sedang.
Fotodioda PIN:Wilayah intrinsik meningkatkan ketebalan wilayah penipisan.
Dioda foto longsor: Sebuah fotodioda longsoran (APD) dirancang untuk beroperasi pada bias balik yang tinggi menunjukkan efek pengganda elektron yang analog dengan tabung fotomultiplier. Bias balik dapat berjalan dari 10 volt hingga hampir 2000 V. Bias balik tingkat tinggi mempercepat pasangan elektron-lubang foton yang dibuat di wilayah intrinsik ke kecepatan yang cukup tinggi untuk membebaskan pembawa tambahan dari tabrakan dengan kisi kristal. Jadi, banyak elektron per foton yang dihasilkan. Motivasi untuk APD adalah untuk mencapai amplifikasi di dalam fotodioda untuk mengatasi noise di amplifier eksternal. Ini bekerja sampai batas tertentu. Namun, APD menciptakan kebisingannya sendiri. Pada kecepatan tinggi, APD lebih unggul daripada kombinasi penguat dioda PIN, meskipun tidak untuk aplikasi kecepatan rendah. APD mahal, kira-kira harga tabung photomultiplier. Jadi, mereka hanya bersaing dengan fotodioda PIN untuk aplikasi khusus. Salah satu aplikasi tersebut adalah penghitungan foton tunggal seperti yang diterapkan pada fisika nuklir.
Fotodioda yang dioptimalkan untuk menyalurkan daya ke beban secara efisien adalah sel surya . Ini beroperasi dalam mode fotovoltaik (PV) karena dibias maju oleh tegangan yang dikembangkan melintasi resistansi beban.
Sel Surya Monokristalin
Sel surya monokristalin diproduksi dalam proses yang mirip dengan pemrosesan semikonduktor. Ini melibatkan menumbuhkan boule kristal tunggal dari silikon kemurnian tinggi cair (tipe-P), meskipun, kemurniannya tidak setinggi semikonduktor. Boule digergaji dengan berlian atau digergaji dengan kawat menjadi wafer. Ujung boule harus dibuang atau didaur ulang, dan silikon hilang di gergaji. Karena sel modern hampir berbentuk persegi, silikon hilang dalam mengkuadratkan boule. Sel dapat digoreskan pada tekstur (menghaluskan) permukaan untuk membantu menjebak cahaya di dalam sel. Banyak silikon hilang dalam memproduksi wafer persegi 10 atau 15 cm. Saat ini (2007), produsen sel surya biasa membeli wafer pada tahap ini dari pemasok ke industri semikonduktor.
Komponen Sel Surya
Wafer tipe-P dimuat kembali ke belakang ke dalam kapal silika leburan yang hanya memperlihatkan permukaan luar dopan tipe-N dalam tungku difusi. Proses difusi membentuk lapisan tipe-n tipis di bagian atas sel. Difusi juga memperpendek tepi sel dari depan ke belakang. Pinggiran harus dihilangkan dengan etsa plasma untuk mengurai sel. Pasta perak dan atau aluminium disaring di bagian belakang sel, dan kisi-kisi perak di bagian depan. Ini disinter dalam tungku untuk kontak listrik yang baik. (Gambar di bawah)
Sel-sel dihubungkan secara seri dengan pita logam. Untuk mengisi baterai 12 V, 36 sel pada sekitar 0,5 V dilaminasi vakum di antara kaca, dan bagian belakang logam polimer. Kaca mungkin memiliki permukaan bertekstur untuk membantu menangkap cahaya.
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]
REVIEW:
Solar cell properties
LEMBAR KERJA TERKAIT:
Teknologi Industri
Ketika alternator menghasilkan tegangan AC, tegangan mengubah polaritas dari waktu ke waktu, tetapi melakukannya dengan cara yang sangat khusus. Ketika digambarkan dari waktu ke waktu, gelombang yang dilacak oleh tegangan polaritas bolak-balik ini dari alternator mengambil bentuk yang berbeda, yang
Bilangan kompleks berguna untuk analisis rangkaian AC karena menyediakan metode yang mudah digunakan untuk menunjukkan pergeseran fasa secara simbolis antara besaran AC seperti tegangan dan arus. Namun, bagi kebanyakan orang, kesetaraan antara vektor abstrak dan besaran rangkaian nyata bukanlah hal
Prinsip non-sinusoidal, bentuk gelombang berulang yang setara dengan serangkaian gelombang sinus pada frekuensi yang berbeda adalah sifat dasar gelombang pada umumnya dan memiliki nilai praktis yang besar dalam studi rangkaian AC. Artinya, setiap kali kita memiliki bentuk gelombang yang tidak berbe
Analisis SPICE Isolasi Listrik Selain kemampuan untuk dengan mudah mengubah antara tingkat tegangan dan arus yang berbeda dalam rangkaian AC dan DC, transformator juga menyediakan fitur yang sangat berguna yang disebut isolasi , yang merupakan kemampuan untuk menyambungkan satu sirkuit ke sirkuit l