دیود ها ، LED ها و سلول های خورشیدی

دیود ها ، LED ها و سلول های خورشیدی
دیودها دستگاه های نیمه هادی هستند که اجازه می‌دهند جریان فقط در یک جهت گردش پیدا کند . دیودها در مدارهای الکترونیکی به عنوان یکسو کننده عمل می کنند و همچنین به عنوان فرستنده نور کارآمد (در LED ها) و به عنوان سلولهای خورشیدی (در فتوولتائیک ها) عمل می کنند. ساختار اصلی یک دیود یک اتصال بین یک نیمه هادی نوع p و نوع n است که به آن اتصال p-n گفته می شود. معمولا دیودها از یک کریستال نیمه هادی تک ساخته می شوند که در آن p-و n- به عنوان دوپانت ها ( ناخالصی ها ) معرفی می شوند.

از نزدیک یک دیود ، کریستال نیمه هادی مربع شکل (شی سیاه در سمت چپ) را نشان می دهد.

اگر سمت n یک دیود متمایل شود که در پتانسیل مثبت باشد و سمت p منفی باشد ، الکترون ها به سمت n و حفره ها به سمت p کشیده می شوند . این تقویت کننده ساخته شده در پتانسیل اتصال p-n ، عرض لایه تخلیه را افزایش می دهد و جریان های بسیار کمی گردش پیدا می‌کند . از این جهت قطبی سازی به عنوان “گرایش برگشتی” یاد می شود . اگر دیود به طرف دیگر متمایل شود ، حامل ها به محل اتصال مجدد هدایت می شوند . میدان الکتریکی کاهش می یابد ، نوارها مسطح می شوند و جریان به راحتی از جاییکه گرایش کاربردی کاهش پیدا می کند ، جاری می شود به این حالت “گرایش رو به جلو” گفته می شود.

الکترون ها (قرمز) و حفره ها (سفید) در یک دیود با گرایش رو به جلو.
شکل از سمت چپ یک دیود با گرایش رو به جلو را نشان می دهد ، که از طریق آن جریان به راحتی گردش می یابد. همانطور که الکترون ها و حفره ها به محل اتصال هدایت می شوند (فلش های سیاه در شکل سمت چپ پایین) آنها دوباره نوترکیب می‌شوند (فلش های آبی به سمت پایین) نور و یا گرما تولید می‌کنند . سطح فرمی در دیود به عنوان خط نقطه ای نشان داده شده است افت در سطح فرمی (برابر با گرایش اعمال شده) وجود دارد . منحنی دیود i-V مربوطه در سمت راست نشان داده شده است . جریان با استفاده از ولتاژ اعمال شده در جهت گرایش رو به جلو بصورت نمایی افزایش می یابد ، و جریان نشتی بسیار کمی تحت گرایش معکوس وجود دارد . دیودها با گرایش بسیار بالا (به طور معمول ده ها ولت) دچار شکست ناگهانی و جریان بزرگ معکوس می شوند.

منحنی دیود i-V
یک دیود یا LED تابش کننده ، نوعی دیود است که مقداری از انرژی نوترکیب حفره الکترونی را به نور تبدیل می کند. این فرآیند نوترکیبی تابشی ، همیشه در رقابت با نوترکیبی غیر تابشی اتفاق می افتد ، که در آن انرژی به سادگی به گرما تبدیل می شود. هنگامی که نور از یک LED ساطع می شود ، انرژی فوتون برابر با انرژی باند می باشد ، به همین دلیل ، چراغهای LED دارای رنگهای خالص و طیفهای باریک انتشار نسبت به سایر منابع نوری مانند چراغهای رشته ای و فلورسنت هستند . چراغ های LED کارآمد( energy-efficient) هستند و به همین دلیل درهنگام لمس بسیار خنک هستند.

دیود ساطع نور ( ‌LED )
نیمه هادی های شکاف مستقیم مانند GaAs و GaP دارای تابندگی کارآمد هستند و همچنین جذب کننده نور خوبی هستنددر نیمه هادی های شکاف مستقیم ، هیچ تغییر حرکتی در ایجاد حفره الکترونی یا نوترکیبی وجود ندارد . یعنی الکترون ها و حفره ها از همان مقدار موج حرکت k سرچشمه می گیرند که در Ch .6. k با آنها روبرو شدیم و مربوط به حرکت (همچنین مقدار بردار) با p = hk / 2π است. در یک نیمه هادی با شکاف مستقیم ، قسمت بالای باند Valence و پایین باند رسانا به طور معمول هر دو در k = 0 اتفاق می افتد. از آنجا که شتاب فوتون نزدیک به صفر است ، جذب و انتشار فوتون به شدت مجاز است (و به این ترتیب از نظر جنبشی سریع می‌باشد .) نیمه هادی های قطبی مانند GaAs ، GaN و CdSe معمولاً مواد با شکاف مستقیم هستند. نیمه هادی های شکاف غیرمستقیم مانند Si و Ge بسیار ضعیف جذب می کنند و از خود نور ساطع می کنند زیرا حداکثر باند valence و حداقل باند انتقال ، در همان نقطه در فضای k رخ نمی دهد ، این بدان معنی است که یک لرزش شبکه (یک فونون) نیز باید ایجاد شود یا از بین برود تا بتواند حرکت را حفظ کند. از آنجا که این فرآیند “سه بدنه” (الکترون ،حفره ، فونون) از احتمال کمی برخوردار است ، نوترکیب تابشی الکترون ها و حفره ها نسبت به زوال غیر تابشی کند است – گرمایش انرژی الکترون- حفره ، به عنوان ارتعاشات مشبک – در نیمه هادی های شکاف غیرمستقیم است . بنابراین قانون انتخاب حرکت مانع از جذب یا انتشار نور می شود و هیچ Si LED خالص یا لیزر مبتنی بر Si وجود ندارد.

پروفسور Shuji Nakamura دارای یک LED آبی است
در حالی که LED های قرمز ، نارنجی ، زرد و سبز را می توان نسبتاً به راحتی از محلول های جامد AlP-GaAs ساخت ، در ابتدا ساخت LED های آبی بسیار دشوار بود زیرا بهترین نیمه هادی شکاف مستقیم با یک شکاف باند در محدوده انرژی مناسب یک نیترید ، GaN است. ، ساختن آن دشوار است و از نوع p استفاده می کند . Shuji Nakamura با کار در شرکت Nichia در ژاپن موفق شد یک فرایند ساخت برای p-GaN ایجاد کند ، که اساس آن LED آبی است به دلیل اهمیت این کار در توسعه ذخیره سازی اطلاعات (فناوری Blu-Ray) و طیف کامل نورپردازی LED با کارایی انرژی ، ناکامورا جایزه نوبل فیزیک 2014 را با Isamu Asaki و Hiroshi Amano به اشتراک گذاشت هر دوی آنها سهم قبلی در توسعه دیودهای GaN داشتند .
یک سلول خورشیدی ، یا سلول فتوولتائیک ، نور جذب شده در یک اتصال p-n را مستقیماً با اثر فتوولتائیک به برق تبدیل می کند. فتوولتائیک زمینه فناوری و تحقیقات مرتبط با توسعه سلولهای خورشیدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق است. بعضی اوقات اصطلاح سلول خورشیدی برای دستگاه هایی که به طور خاص برای جذب انرژی از نور خورشید در نظر گرفته شده اند رزرو شده است ، در حالی که اصطلاح سلول فتوولتائیک در هنگام نامشخص بودن منبع نور استفاده می شود.

اثر فتوولتائیک در یک اتصال p-n نیمه هادی
نوری در سلولهای خورشیدی اتصال P-N در جهت گرایش معکوس دیود جریان می یابد. در تاریکی ، سلول خورشیدی به عنوان دیود عمل می کند. در پرتو ، می توان فتوکارنت را به عنوان یک منبع جریان ثابت تصور کرد که به ویژگی i-V دیود اضافه می شودرابطه بین جریان تاریک و نور در یک سلول فتوولتائیک در نمودار زیر نشان داده شده است.

ویژگی ولتاژ جریان یک سلول خورشیدی ، در تاریکی و تحت نور با روشنی شکاف باند . فتوکارنت اتصال کوتاه به عنوان isc نشان داده شده است ، و فتوولتاژ مدار باز Vphoto است. حداکثر توان حاصل از سلول خورشیدی با مساحت جعبه نارنجی تعیین می شود .

میدان الکتریکی داخلی محل اتصال p-n ، جفت های e- h+را که با جذب نور باند در منطقه تخلیه تشکیل می شوند ، از هم جدا می کند. الکترونها به سمت پایین حرکت می کنند ، به طرف سمت n از اتصال و حفره ها به سمت p حرکت می کنند. اگر hν ≥ Egap باشد، با ارتقاء یک الکترون از باند ولتاژ به باند انتقال ، می توان نور جذب کرد . هر انرژی اضافی به سرعت گرم می شود. نور با hν>Eg است بنابراین می تواند فقط به عنوان ‌Eg ارزش انرژی را در یک جفت e- h+ ذخیره کند . اگر نور خارج از ناحیه تخلیه ، یعنی در طرف n یا p از محل اتصال جایی که هیچ میدان الکتریکی وجود ندارد ، جذب شود ، حامل های اقلیت باید به منظور اتصال جمع شوند. این فرآیند در رقابت با نوترکیبی الکترون – حفره رخ می دهد . از آنجا که اتمهای ناخالصی و نقص شبکه باعث ایجاد مراکز نوترکیب کارآمد می شوند ، نیمه هادی های مورد استفاده در سلول های خورشیدی (به خصوص مواد با شکاف غیرمستقیم مانند Si که برای جذب بیشتر طیف خورشیدی باید نسبتاً ضخیم باشند) باید بسیار خالص باشند . بیشتر هزینه سلولهای خورشیدی سیلیکون با فرآیند تصفیه سیلیکون عناصر و رشد کریستالهای بزرگ از مذاب همراه است. در فوتو دیود حساس نسبت به نور i-V در بالا Vphoto به طور معمول فقط حدود 70٪ از انرژی پهنای باند Egap است .
فتوکارنت توسط شار فوتون ، میزان نوترکیب و انتشار مجدد نور جذب شده ، محدود شده است. مساحت مستطیل نارنجی نشانگر قدرت تولید شده توسط سلول خورشیدی است که می تواند به عنوان P = i x V محاسبه شود در سلولهای خورشیدی تک کریستالی یا چند کریستالی خوب ساخته شده از ، Si, GaAs, CdTe, CuInxGa1-xSe2 یا (CH3NH3)PbI3 (عملکرد کوانتومی نسبت فتوکارنت اتصال کوتاه به شار فوتون) نزدیک به واحد است .

مدار معادل یک سلول خورشیدی اتصال p-n ، که منجر به منحنی “نور” i-V می شود در شکل بالا نشان داده شده است. سلول خورشیدی به طور موثری یک دیود با منبع جریان گرایش معکوس است که توسط الکترون ها و حفره های های تولید شده توسط نور ایجاد می شود مقاومت شنت (Rsh) در مدار معادل نشان دهنده نوترکیبی پارازیت الکترون-حفره است یک.مقاومت شنت بالا (سرعت نوترکیبی پایین) و مقاومت سری پایین (Rs) برای راندمان بالای سلول خورشیدی مورد نیاز است.

سلولهای خورشیدی کاربردهای فعلی زیادی دارند سلولهای منفرد برای نیروگاه های کوچک مانند ماشین حساب های الکترونیکی استفاده می شوند . آرایه های فتوولتائیک نوعی از انرژی تجدید پذیر را تولید می کنند ، به ویژه در شرایطی که توان الکتریکی از شبکه در دسترس نباشد مانند سیستم های برق از راه دور ، ماهواره های مدار زمین و پروب های فضایی ، رادیو تلفن های از راه دور و برنامه های پمپاژ آب . برق فتوولتائیک نیز به طور فزاینده ای در سیستم های الکتریکی شبکه گره ای ( grid-tied)مستقر می شود .
هزینه فتوولتائیک نصب شده (که بر اساس هر وات محاسبه می شود) طی یک دهه گذشته با حدود 13٪ در سال کاهش یافته است و در آلمان و تعدادی دیگر از کشورها قبلاً به برابری شبکه رسیده است. برابری شبکه فوتوولتائیک در بازار های انرژی ایالات متحده در بازه زمانی 2020 پیش بینی شده است. یک محرک اصلی در هزینه به تدریج پایین تر از انرژی فتوولتائیک ، راندمان افزایش یافته به طور مداوم سلولهای خورشیدی است که در سمت راست در گرافیک نشان داده شده است سلولهای خورشیدی با راندمان بالاتر برای تحقق همین مقدار انرژی ، به فضای کمتری نیاز دارند ، و این هزینه های “تعادل سیستم” مانند سیم کشی ، نصب سقف و غیره را کاهش می دهد که به عنوان ناحیه پانل های خورشیدی می باشد. پیشرفت به سمت راندمان بالاتر منعکس کننده فرایندهای بهبود یافته برای ساختن مواد فتوولتائیک مانند سیلیکون و گالیم آرسنید و همچنین کشف مواد جدید است. سلولهای خورشیدی سیلیکون یک فناوری بالغ هستند ، بنابراین آنها اکنون در قسمت مسطح منحنی یادگیری قرار دارند و به حداکثر بهره وری نظری خود نزدیک می شوند. فن آوری های جدیدتر مانند فتوولتائیک آلی ، سلولهای خورشیدی نقطه کوانتومی و سلولهای پرولوسکیت هالید سرب هنوز در حال افزایش از منحنی یادگیری هستند.

جدول زمانی گزارش شده از راندمان تبدیل انرژی خورشیدی از سال 1976 (آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر)

ترانزیستور تأثیر میدان (FET) یک ترانزیستور است که از یک میدان الکتریکی برای کنترل عرض کانال رسانا و در نتیجه جریان در یک ماده نیمه هادی استفاده می کند. این برخلاف ترانزیستورهای دو قطبی ، به عنوان ترانزیستور تک قطبی طبقه بندی می شود ترانزیستورهای اثر میدانی به عنوان تقویت کننده های فعلی عمل می کنند. ساختار معمولی FET های مبتنی بر Si مانند ساختاری است که در آن دو منطقه از نوع n (منبع و تخلیه) توسط منطقه ای از نوع p جدا می شوند. یک عایق اکسید در منطقه نوع p یک سرب دروازه فلزی را از نیمه هادی جدا می کند . این ساختار یک نیمه هادی ، فلزی-اکسید نیمه هادی (یا MOSFET) نامیده می شود. هنگامی که ولتاژ بین منبع و تخلیه اعمال می شود ، جریان نمی تواند جریان یابد زیرا اتصال n-p یا اتصال p-n مغایر با یکدیگر است. با این وجود وقتی یک پتانسیل مثبت روی دروازه اعمال می شود ، الکترون ها به سمت دروازه رانده می شوند ، و به صورت محلی نیمه هادی به “n” تبدیل می شود. سپس جریان به راحتی بین منبع نوع n جریان یافته و از طریق کانال n تخلیه می شود. گردش جریان بین منبع و تخلیه چند برابر بزرگتر از جریان از طریق دروازه است ، و بنابراین FET می تواند به عنوان تقویت کننده عمل کند . جریان جاری همچنین می تواند منطق”1″ را نشان دهد ، بنابراین FET ها نیز در منطق دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرند .

سطح مقطع MOSFET از نوع n

در وسایل الکترونیکی مانند ریزپردازنده ها ، ترانزیستورهای اثر میدانی بیشتر اوقات در حالت خارج از وضعیت(off-state) نگهداری می شوند تا بتوانند جریان پس زمینه و مصرف برق را به حداقل برساند . FET نشان داده شده در بالا ، که دارای مناطق منبع و تخلیه از نوع n است ، ترانزیستور NMOS نامیده می شود . در ترانزیستور PMOS ، مناطق منبع و تخلیه از نوع p و دروازه از نوع n است . در مدارهای مجتمع CMOS (مکمل اکسید فلز نیمه رسانا) ، از هر دو ترانزیستور NMOS و PMOS استفاده می شود. مدارهای CMOS به گونه ای ساخته می شوند که کلیه ترانزیستورهای PMOS باید از منبع ولتاژ یا از ترانزیستور PMOS دیگری برخوردار باشند. به طور مشابه ، کلیه ترانزیستورهای NMOS یا ورودی از زمین و یا ترانزیستور NMOS دیگر دارند . این ترتیب منجر به مصرف انرژی استاتیک کم می شود .

ترانزیستورها در دامنه ولتاژ گیت (که توسط دایره قرمز در شکل در سمت چپ نشان داده شده است) مفید هستند جاییکه جریان منبع-تخلیه به سرعت تغییر می کند . در این منطقه هنگامی که یک سیگنال کوچک روی دروازه اعمال می شود ، می توان تغییر زیادی در جریان بین منبع و تخلیه ایجاد کرد . شکل مهمی از شایستگی برای FET ، شیب زیر آستانه است ، که شیب نقشه ورود (جاری) در مقابل Vgate است.یک شیب زیر آستانه ایده آل یک دهه جریان در 60 میلی ولت از گرایش گیت است . به طور معمول ، با تغییر در ولتاژ گیت 70 میلی ولت می توان یک دهه تغییر در جریان تخلیه منبع را بدست آورد . عملکرد FET ها به عنوان سوئیچ ها و تقویت کننده ها توسط شیب زیر آستانه محدود است ، که به نوبه خود با ظرفیت خازن دروازه محدود است. داشتن یک خازن گیت بسیار بالا ، که به یک اکسید عایق نازک احتیاج دارد ، بلکه داشتن یک جریان نشتی کوچک ، که به یک اکسید ضخیم نیاز دارد ، مطلوب است. یک چالش کنونی در صنعت نیمه هادی ، ادامه مقیاس FET ها به ابعاد نانو حتی در مقیاس کوچکتر و در عین حال مقادیر قابل قبول این پارامترها است. این کار با تولید مواد عایق جدید گیت انجام می شود که دارای مقاومت دی الکتریک بالاتر از اکسید سیلیکون هستند و با سیلیکون یا با درهای فلزی دچار واکنش ردوکس نمی شوند. در حال حاضر تنها معدود مواد شناخته شده (مانند هافنیوم اکسینیتیدید و سیلیکات هافنیوم) این نیازهای سختگیرانه را برآورده می کنند.

برگردان به پارسی:
ستایش ابراهیمی
زیر نظر استاد: مائده کوهی

سرچشمه:
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Book%3A_Introduction_to_Inorganic_Chemistry/10%3A_Electronic_Properties_of_Materials_-_Superconductors_and_Semiconductors/10.07%3A_Diodes%2C_LEDs_and_Solar_Cells