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Halbleiter Dioden Leuchtdioden Fotozellen Solarzellen.

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Präsentation zum Thema: "Halbleiter Dioden Leuchtdioden Fotozellen Solarzellen."—  Präsentation transkript:

1 Halbleiter Dioden Leuchtdioden Fotozellen Solarzellen

2 Halbleiter Halbleiter sind Stoffe, die elektrischen Strom schlechter leiten als Metalle wie Aluminium oder Kupfer, aber besser als Isolatoren wie Glas, Keramik oder viele Kunststoffe. Als Grundmateral werden vierwertige Elemente wie Silicium (Si) oder Germanium (Ge), aber auch Verbindungen wie Galliumarsenid, Zinkselenid und Bleitellurid eingesetzt. In einem reinen, echten Halbleiter wie Si oder Ge sind die äußeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen. Es bildet sich im Halbleiterkristall ein Gitter, bei dem jedes der vierwertigen Atome mit vier Nachbaratomen verbunden ist. An der Bindung zweier benachbarter Atome ist jeweils ein Valenzelektron der beiden Atome beteiligt. Si Ein solcher Kristall wäre ein idealer Isolator, da keine frei beweglichen Ladungen vorhanden wären.

3 Durch Zufuhr von Energie z.B. durch Erhöhung der Temperatur oder auch durch Einstrahlung von Licht können sich die Valenzelektronen aus ihrer Bindung befreien und zu Leitungselektronen werden, die sich dann frei durch den Kristall bewegen können und zur Leitfähigkeit des Halbleiters beitragen. Wird ein Valenzelektron zu einem Leitungselektron und bewegt es sich woanders hin, so hinterlässt es an der Stelle, an der es sich zunächst befand, eine Lücke mit einer positiven Überschussladung, genannt ein positives Loch. Halbleiter Elektronenleitung Si - Leitungselektron Positives Loch

4 + Die positiven Löcher tragen zur Leitfähigkeit bei, da auch sie ihre Position verändern können, indem ein benachbartes Valenzelektron ein solches Loch besetzt und dabei ein neues Loch an anderer Stelle schafft. Halbleiter Löcherleitung Si - Leitungselektron Positives Loch - + +

5 Leitungselektron Positives Loch Gebundenes Valenzelektron Halbleiter SiAs Si B Das Hinzufügen von Verunreinigungen (Dotierungen) in den Halbleiter ist eine weitere Methode, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen. n-Dotierung: Werden 5-wertige Fremdatome (Phosphor, Arsen) bei der Herstellung in den Halbleiter eingebaut, so wird dessen 5. Außenelektron nicht für den Aufbau der Bindungen im Kristall benötigt und wird zum freien zusätzlichen Leitungselektron. p-Dotierung: Werden 3-wertige Fremdatome (Aluminium, Bor) bei der Herstellung in den Halbleiter eingebaut, so fehlt jetzt am Ort dieses Atoms das 4.Außenelektron, so dass hier ein positives Loch entsteht, dessen Position verändert werden kann. Dotieren

6 Halbleiter Dioden Fügt man einen n-dotierten Halbleiter mit einem p-dotierten zusammen, so erhält man eine Diode. n-dotiertp-dotiert In der Grenzschicht diffundieren Leitungselektronen in den p-dotierten und positive Löcher in entgegengesetzter Richtung in den n-dotierten Bereich. Dort rekombinieren die Leitungselektronen mit den positiven Löchern, wodurch beide ihre Beweglichkeit verlieren und sich eine negative ortsfeste Raumladung in der Nähe der Grenzschicht auf der p-dotierten Seite und umgekehrt eine positive Raumladung auf der n-dotierten Seite der Grenzschicht bildet.

7 Halbleiter Dioden Grenzschicht n-dotiertp-dotiert Die Entwicklung der Raumladung durch ortsfeste Ladungen in der Grenzschicht hat dann ein Ende, wenn die Abstoßung durch die negative Ladung auf der p-dotierten Seite für die ebenfalls negativen Leitungselektronen aus dem n-dotierten Bereich so stark geworden ist, dass die Energie der Leitungselektronen nicht mehr ausreicht, um die Löcher im p-dotierten Teil zu erreichen. Gleichzeitig können dann die beweglichen positiven Löcher auch nicht mehr die abstoßenden Kräfte der positiven Raumladung überwinden

8 Halbleiter Dioden-Durchlassrichtung n-dotiertp-dotiert Schließt man auf der n-dotierten Seite der Diode den Minuspol einer Spannungsquelle und auf der p-dotierten Seite deren Pluspol an, so erhalten die negativen Elektronen zusätzliche Energie in Richtung zur p-dotierten Seite und können bei ausreichend hoher Spannung die Barriere durch die negativen Raumladungen überwinden. Entsprechendes gilt in umgekehrter Richtung dann auch für die beweglichen positiven Löcher aus dem p-dotierten Teil. Die Spannungsquelle liefert kontinuierlichen Nachschub an beweglichen Ladungen

9 Halbleiter Dioden-Sperrrichtung n-dotiertp-dotiert Schließt man auf der p-dotierten Seite der Diode den Minuspol einer Spannungsquelle und auf der n-dotierten Seite deren Pluspol an, so bewegen sich die Leitungselektronen von der Grenzschicht ebenso weg wie die beweglichen positiven Löcher im p-dotierten Teil, die Grenzschicht, in der es kaum bewegliche Ladungen gibt, verbreitert sich, die Diode sperrt

10 Dioden Zweiweg-Gleichrichterschaltung Da eine Diode ein elektrisches Ventil darstellt, lässt es sich mit der angegebenen Schaltung erreichen, dass der Strom durch den Lastwiderstand immer nur in derselben Richtung (in der Zeichnung von links nach rechts) fließt, unabhängig von der Polung der Spannungsquelle.

11 Dioden I(U)-Kennlinien (Durchlassrichtung) Typisch für den Verlauf der Kennlinie einer Diode ist, dass in Sperrrichtung unterhalb der Durchbruchspannung, bei der die Diode zerstört wird, nur minimale Ströme fließen. In Durchlassrichtung steigt die Stromstärke nach Überschreiten eines Schwellenwerts U s, der von der in der Grenzschicht entstehenden ortsfesten Raumladung abhängt und der vom Material der Diode bestimmt wird, annähernd linear mit weiterer Zunahme der angelegten Spannung an.

12 Dioden Jede Diode ist eine Leuchtdiode Beim Betreiben einer Diode in Durchlassrichtung mit einer Spannung, die größer ist als die Schwellenspannung U s, erhalten die Leitungselektronen genug Energie, um den p-dotierten Bereich hinter der Grenzschicht zu erreichen. Wenn sie dort mit den positiven Löchern rekombinieren, wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung frei, deren Wellenlänge durch die Höhe der zu überwindenden Schwellenspannung bestimmt wird. Bei Si- bzw. Ge-Dioden liegt die Wellenlänge dieser Strahlung im für den Menschen nicht sichtbaren Infrarot-Bereich, bei GaAs-Dioden aber im roten Bereich des Spektrums. Eine derartige Diode sendet daher bei derartiger Betriebsweise rotes Licht aus, es ist eine Leuchtdiode. Durch Dotieren der Leuchtdioden mit Atomen anderer Elemente lässt sich erreichen, dass zusätzlich auch Strahlung aus anderen Wellenlängenbereichen entsteht, die Leuchtdiode leuchtet dann mit einer anderen Farbe. Andersfarbige Leuchtdioden können auch durch Verwendung eines anderen geeigneten Grundmaterials hergestellt werden.

13 Leuchtdioden I(U)-Kennlinien von Leuchtdioden

14 Fotozellen Betreibt man eine Diode mit niedriger Schwellenspannung in Sperrrichtung, so verbreitert sich die Sperrschicht und es fließt nur sehr wenig Strom. Durch Einstrahlung von Licht können die Valenzelektronen im n-dotierten Bereich die Strahlungsenergie absorbieren und dadurch zu Leitungselektronen werden, die sofort zum Pluspol abfliessen. Je höher die Intensität der Strahlung ist, desto mehr zusätzliche bewegliche Ladungsträger entstehen und desto größer wird die Stromstärke. Eine für einen solchen Betrieb optimierte Diode ist eine Fotozelle, die sehr schnell auf Veränderungen der Beleuchtungsintensität reagiert. Die Stärke des Photostroms ist dabei in guter Näherung proportional zur Lichtintensität.

15 Solarzellen Jede Leuchtdiode ist eine Solarzelle Beleuchtet man die Leuchtdiode mit Licht aus dem Spektralbereich, das die Leuchtdiode bei ihrem Betrieb selbst aussendet, so reicht die Energie dieser Strahlung aus, um gebundene Valenzelektronen aus ihren Bindungen zu befreien und neue bewegliche Ladungen zu schaffen. Die Leuchtdiode wird dann zu einer Stromquelle, deren Leistungsfähigkeit von der Intensität der Bestrahlung abhängt, zu einer Solarzelle. n-dotiertp-dotiert MinuspolPluspol Die Spannung der Solarzelle entspricht dabei der Schwellenspannung der Diode.

16 Funktionsweise von Solarzellen Eine Solarzelle ist eine für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie optimierte Diode, bei der durch Lichteinfall zusätzliche Elektronen-Loch-Paare entstehen. Durch eine extrem dünne dem Licht zugewandte hoch n-dotierte Seite und eine dickere niedrig p-dotierte Rückseite der Solarzelle erreicht man zweierlei: Es soll möglichst wenig Strahlung im n-dotierten Teil absorbiert werden, in der möglichst breiten ladungsträgerarmen Zone im p-dotierten Teil der Grenzschicht sollen möglichst viele freie Elektronen neu gebildet werden. Die auf der p-dotierten Seite der Solarzelle in der Grenzschicht so erzeugten freien Elektronen fließen als Rückwärtsstrom zur n-dotierten Schicht. Lässt man die Anschlusskontakte der Solarzelle dann offen, wird die Ladungsverteilung des Gleichgewichts im Vergleich zur unbeleuchteten Zelle gestört. Da kein Strom fließen kann, wird sich ein neues Gleichgewicht einstellen, indem sich im Beispiel die n-dotierte Seite so lange negativ auflädt, bis der dann zunehmende Vorwärtsstrom den zusätzlichen Rückwärtsstrom wieder exakt kompensiert. Dadurch entseht eine messbare Spannung (Leerlaufspannung) zwischen den Kontakten der Solarzelle. (Pluspol am p-dotierten - Minuspol am n-dotierten Teil) Verbindet man die Anschlüsse der Solarzelle leitend, so fließt Strom vom Pluspol der Zelle zum Minuspol - die zusätzlich erzeugten Leitungselektronen bewegen sich vom n-dotierten Teil durch die Leitung zum p-dotierten Bereich, wo sie mit dort im Überschuss vorhandenen positiven Löchern rekombinieren. Ist der Widerstand der Leitungsverbindung sehr gering, z.B. wenn man direkt ein Amperemeter anschließt, so liefert die Zelle den sogenannten Kurzschlussstrom, der von der Intensität der Bestrahlung, der Größe der effektiv bestrahlten Fläche der Solarzelle, der Temperatur und dem materiellen Aufbau der Solarzelle abhängig ist. Das rote Licht dringt tief ein; das generierte Elektron im (p-dotiertem) Volumen der Diode stirbt per Rekombination. Das violette Licht wird dagegen dicht unter der (dünnen, ca. 0,5 µm) n- Schicht absorbiert, das Elektron kommt zur Raumladungszone und fließt als zusätzlicher Rückwärtsstrom über den p-n-Kontakt.

17 Solarzellen Die möglichst große n-dotierte Seite ist der Strahlung zugewandt und sehr dünn, damit die erzeugten Leitungselektronen nicht schon in dieser Schicht wieder rekombinieren, die Leitungskontakte zu dieser Schicht müssen ausreichend groß sein, um die Elektronen gut ableiten zu können, dürfen aber nicht zu groß sein, da sie sonst die bestrahlte Fläche zu stark abschatten würden.

18 Leuchtdioden als Solarzellen Leuchtdioden bei unterschiedlich starker Beleuchtung Wird eine Leuchtdiode hell beleuchtet, so entsteht zwischen ihren Kontakten eine Spannung, die prinzipiell für einen Stromfluss durch einen angeschlossenen Stromkreis führt. Die Stromstärke ist dabei aber äußerst gering, da die bestrahlte Fläche minimal ist.

19 Jede Solarzelle ist eine Diode Diodenkennlinien von Solarzellen bei unterschiedlich starker Strahlungsintensität Der Bereich der Kennlinie im 4.Quadranten kann für den Betrieb als Spannungsquelle ausgenutzt werden. Beleuchtet mit 150W Halogenlampe unbeleuchtet Durch die Beleuchtung der Solarzelle wird die Kennlinie in Richtung negativer Ströme verschoben. Aufgenommen mit Moses

20 Arbeitskennlinien von Solarzellen I(U)-Kennlinien Die Pole einer mit einer 150W-Halogenlampe beleuchteten Serienschaltung von zwei Solarzellen werden über einen variablen Lastwiderstand ( ) verbunden, Spannung U an den Polen sowie Stromfluss I durch den Lastwiderstand werden gemessen. Die Messung kann bei verschiedenen Strahlungsintensitäten wiederholt werden. Aufnahme der Kennlinie mit Moses

21 Arbeitskennlinien von Solarzellen Maximum Power Point Die Leistung einer Solarzelle hängt bei fester Beleuchtung von der Größe des Lastwiderstands ab. Beim Kurzschluss bricht die Spannung zusammen, bei großen Lastwiderständen fließt dagegen nur sehr wenig Strom. Am effektivsten ist der Betrieb im Maximum-Power-Point(MPP), wo die Leistung P = U·I den größten Wert erreicht. Aufnahme der Kennlinie mit Moses

22 Arbeitskennlinien von Solarzellen Füllfaktor Eine optimale Arbeitskennlinie einer Solarzelle wäre rechteckig, die abgegebene Spannung wäre unabhängig vom Lastwiderstand bzw. zu lieferndem Strom immer gleich. Die maximale Leistung wäre dann P opt = U Leerlauf ·I kurzschluss. Aufnahme der Kennlinie mit Moses Ein Qualitätsmerkmal einer Solarzelle ist der sogenannte Füllfaktor, der das Verhältnis der realen Leistung im MPP zu U Leerlauf ·I kurzschluss angibt. Bei der gemessenen Serienschaltung zweier Solarzellen liegt dieser Wert nur bei 0,45. 1,0 0,45 MPP


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