쇼트키 다이오드
S 쇼트키 다이오드 는 PN 반도체 접합이 아닌 금속 -N 접합 으로 구성됩니다 . 핫 캐리어 다이오드라고도 하는 쇼트키 다이오드는 빠른 스위칭 시간(낮은 역회복 시간), 낮은 순방향 전압 강하(일반적으로 금속-실리콘 접합의 경우 0.25~0.4V), 그리고 낮은 접합 커패시턴스를 특징으로 합니다.
쇼트키 다이오드의 회로도 기호는 아래 그림과 같습니다.
쇼트키 다이오드 회로도 기호.
쇼트키 다이오드의 장단점
쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하(VF), 역방향 회복 시간(trr), 그리고 접합 커패시턴스(CJ)는 일반적인 "정류" 다이오드 보다 이상적인 값에 더 가깝습니다 . 따라서 고주파 애플리케이션에 적합합니다. 하지만 쇼트키 다이오드는 일반적으로 정류 다이오드보다 순방향 전류(IF)와 역방향 전압(VRRM 및 VDC) 정격이 낮아 상당한 전력이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 쇼트키 다이오드는 저전압 스위칭 레귤레이터 전원 공급 장치 에 사용되지만 ,
쇼트키 다이오드의 응용
쇼트키 다이오드 기술은 고속 컴퓨터 회로에 폭넓게 적용되며, 빠른 스위칭 시간은 고속 성능을 의미하고, 낮은 순방향 전압 강하는 전도 시 전력 소모를 낮춥니다.
수백 kHz에서 작동하는 스위칭 레귤레이터 전원 공급 장치는 스위칭 속도가 느리기 때문에 기존 실리콘 다이오드를 정류기로 사용할 수 없습니다. 다이오드에 인가되는 신호가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 변경될 때, 캐리어가 공핍 영역에서 제거되는 동안 잠시 동안 전도가 지속됩니다. 전도는 이 역방향 회복 시간이 경과한 후에야 중단됩니다. 쇼트키 다이오드는 역방향 회복 시간이 더 짧습니다.
스위칭 속도와 관계없이 실리콘 다이오드의 0.7V 순방향 전압 강하는 저전압 전원에서 효율 저하를 유발합니다. 이는 예를 들어 10V 전원에서는 문제가 되지 않습니다. 1V 전원에서는 0.7V 강하가 출력의 상당 부분을 차지합니다. 한 가지 해결책은 순방향 전압 강하가 낮은 쇼트키 전력 다이오드를 사용하는 것입니다.
터널 다이오드
터널 다이오드는 공진 터널링 이라는 특이한 양자 현상을 이용하여 음의 저항 순방향 바이어스 특성을 제공합니다. 터널 다이오드에 작은 순방향 바이어스 전압을 인가하면 전류가 흐르기 시작합니다. (아래 그림(b)) 전압이 증가함에 따라 전류는 증가하여 피크 전류 (IP)라는 피크 값에 도달합니다. 전압이 조금 더 증가하면 전류는 감소하기 시작하여 밸리 전류 (IV) 라는 최저점에 도달합니다 . 전압이 더 증가하면 전류는 다시 증가하기 시작하지만, 이번에는 또 다른 "밸리"로 감소하지 않습니다. 아래 그림(a)는 터널 다이오드의 회로 기호를 보여줍니다.
터널 다이오드 (a) 회로도 기호. (b) 전류 대 전압 플롯 (c) 발진기.
터널 다이오드를 피크 전류와 밸리 전류로 구동하는 데 필요한 순방향 전압을 각각 피크 전압(VP)과 밸리 전압(VV)이라고 합니다. 그래프에서 인가 전압이 증가하는 동안 전류가 감소하는 영역(수평선에서 VP와 VV 사이)을 부저항 영역이라고 합니다 .
일본인 발명가 레오 에사키의 이름을 따서 에 사키 다이오드 라고도 불리는 터널 다이오드는 피크 전류와 밸리 전류 사이를 매우 빠르게 전환할 수 있어 쇼트키 다이오드보다 훨씬 빠르게 높은 전도 상태와 낮은 전도 상태를 "전환"할 수 있습니다. 터널 다이오드의 특성은 온도 변화에도 비교적 영향을 받지 않습니다.
도핑 레벨에 따른 역방향 항복 전압. Sze 이후 [SGG]
터널 다이오드의 특성
터널 다이오드는 P 영역과 N 영역 모두에 정류기보다 1000배 높은 농도로 도핑됩니다. 이는 위 그림에서 확인할 수 있습니다. 일반 다이오드는 점선의 가장 왼쪽, 제너 다이오드는 왼쪽, 터널 다이오드는 오른쪽에 있습니다. 높은 농도의 도핑은 비정상적으로 얇은 공핍 영역을 생성합니다. 이로 인해 누설 전류가 높고 역방향 항복 전압이 비정상적으로 낮아집니다. 얇은 공핍 영역은 높은 정전용량을 유발합니다. 이를 극복하기 위해 터널 다이오드 접합 면적은 매우 작아야 합니다.
순방향 다이오드 특성은 두 영역으로 구성됩니다. 전류가 VF를 넘어 기하급수적으로 증가하는 일반적인 순방향 다이오드 특성, Ge의 경우 0.3V, Si의 경우 0.7V입니다.
0V와 VF 사이에는 추가적인 "음의 저항" 특성 피크가 있습니다. 이는 전자의 이중 입자-파동 특성을 포함하는 양자역학적 터널링 때문입니다. 공핍 영역은 전자의 등가 파장에 비해 충분히 얇기 때문에 터널링이 가능합니다. 일반적인 순방향 다이오드 전압 VF를 극복할 필요는 없습니다. N형 물질의 전도대 에너지 준위는 P형 영역의 가전자대 에너지 준위와 겹칩니다. 전압이 증가함에 따라 터널링이 시작되고 준위가 겹치며 전류가 일정 지점까지 증가합니다. 전류가 더 증가함에 따라 에너지 준위의 겹침이 줄어들고 전압이 증가함에 따라 전류가 감소합니다. 이것이 곡선의 "음의 저항" 부분입니다.
터널 다이오드의 응용
터널 다이오드는 역방향 바이어스 시 비교적 높은 "누설" 전류를 발생시키기 때문에 정류기로 적합하지 않습니다. 따라서 터널 다이오드의 고유한 터널 효과가 중요한 특수 회로에만 적용됩니다. 터널 효과를 활용하기 위해, 이 다이오드는 피크 전압과 밸리 전압 사이의 바이어스 전압을 유지하며, 항상 순방향 바이어스 극성(양극은 양극, 음극은 음극)을 유지합니다.
터널 다이오드의 가장 일반적인 응용 분야는 위 그림(c)와 같은 간단한 고주파 발진 회로일 것입니다. 이 회로에서 터널 다이오드는 DC 전압원이 LC "탱크" 회로에 전력을 공급할 수 있도록 합니다. 다이오드는 양단 전압이 피크(터널) 레벨에 도달하면 도통되고, 그 외 모든 전압에서는 효과적으로 절연됩니다. 저항은 특성 곡선의 음의 저항 부분을 중심으로 수십 분의 몇 볼트의 전압으로 터널 다이오드에 바이어스를 가합니다. LC 공진 회로는 마이크로파 작동을 위한 도파관의 일부일 수 있습니다. 5GHz까지의 발진이 가능합니다.
터널 다이오드의 역사
한때 터널 다이오드는 유일하게 사용 가능한 고체 마이크로파 증폭기였습니다. 터널 다이오드는 1960년대부터 널리 사용되기 시작했습니다. 터널 다이오드는 진행파관 증폭기보다 수명이 길었는데, 이는 위성 송신기에서 중요한 고려 사항이었습니다. 또한 터널 다이오드는 고농도 도핑으로 인해 방사선에 대한 내성이 뛰어납니다.
오늘날 다양한 트랜지스터가 마이크로파 주파수에서 작동합니다. 소신호 터널 다이오드조차도 오늘날에는 비싸고 구하기 어렵습니다. 게르마늄 터널 다이오드 제조업체는 단 한 곳만 남아 있으며, 실리콘 소자 제조업체는 없습니다. 게르마늄 터널 다이오드는 방사선과 큰 온도 변화에 민감하지 않기 때문에 군사 장비에 사용되기도 합니다.
실리콘 터널 다이오드를 CMOS 집적 회로에 통합하는 것에 대한 연구가 진행되어 왔습니다. 이 다이오드는 디지털 회로에서 100GHz로 스위칭할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 게르마늄 소자를 생산하는 유일한 제조업체는 이 다이오드를 한 번에 하나씩 생산합니다. 실리콘 터널 다이오드용 일괄 공정을 개발하여 기존 CMOS 공정에 통합해야 합니다. [SZL]
에사키 터널 다이오드는 화합물 반도체로 제작된 더 복잡한 구조의 공진 터널링 다이오드 (CH2) 와 혼동해서는 안 됩니다 . RTD는 더 빠른 속도를 구현할 수 있는 최신 기술입니다.
발광 다이오드
복사 에너지 방출의 원리
모든 반도체 소자와 마찬가지로 다이오드는 양자 물리학에 기술된 원리에 의해 제어됩니다. 이러한 원리 중 하나는 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어질 때마다 특정 주파수의 복사 에너지가 방출된다는 것입니다.
네온 램프에서 작동하는 원리와 동일합니다. 이온화된 네온은 전류가 흐르는 동안 전자의 특정 에너지 전이로 인해 특유의 분홍빛을 띱니다. 네온 램프의 독특한 빛은 튜브 내부의 네온 가스 때문에 나타나는 것이지, 튜브를 통과하는 특정 전류량이나 두 전극 사이의 전압 때문이 아닙니다. 네온 가스는 광범위한 이온화 전압과 전류 범위에서 분홍빛을 띱니다. 각 화학 원소는 전자가 서로 다른 양자화된 에너지 준위 사이를 "점프"할 때 고유한 "특징"의 복사 에너지 방출을 나타냅니다. 예를 들어, 수소 가스는 이온화되면 빨간색으로 빛나고, 수은 증기는 파란색으로 빛납니다. 이것이 분광학적으로 원소를 식별하는 것을 가능하게 하는 것입니다.
LED의 복사 에너지 방출
PN 접합을 통과하는 전자는 에너지 준위가 유사한 전이를 거치면서 복사 에너지를 방출합니다. 이 복사 에너지의 주파수는 반도체 물질의 결정 구조와 이를 구성하는 원소에 의해 결정됩니다. 특수 화학 결합으로 구성된 일부 반도체 접합은 전자의 에너지 준위가 변할 때 가시광선 스펙트럼 내에서 복사 에너지를 방출합니다. 간단히 말해, 이러한 접합은 순방향 바이어스 시 발광합니다 . 램프처럼 빛나도록 의도적으로 설계된 다이오드를 발광 다이오드 ( LED) 라고 합니다 .
전기발광
순방향 바이어스된 실리콘 다이오드는 N형과 P형 영역에서 각각 전자와 정공이 접합부에서 재결합하면서 열을 방출합니다. 순방향 바이어스된 LED에서는 아래 그림 (c)의 활성 영역에서 전자와 정공이 재결합하여 광자를 생성합니다. 이 과정을 전계 발광 이라고 합니다 . 광자를 방출하려면 전자가 통과하는 전위 장벽이 실리콘 다이오드보다 높아야 합니다. 일부 컬러 LED의 경우 순방향 다이오드 전압 강하가 수 볼트에 이를 수 있습니다.
갈륨, 비소, 인 원소의 조합으로 만든 다이오드( 갈륨-비소-인화물 이라고 함 )는 밝은 빨간색으로 빛나며 가장 일반적으로 제조되는 LED 중 일부입니다.PN 접합의 화학적 구성을 변경하면 다른 색상을 얻을 수 있습니다.초기 세대의 LED는 빨간색, 녹색, 노란색, 주황색, 적외선이었고, 이후 세대에는 파란색과 자외선이 포함되었으며, 보라색이 선택 항목에 추가된 최신 색상입니다.다른 색상은 동일한 패키지에 두 개 이상의 기본 색상(빨간색, 녹색, 파란색) LED를 결합하여 동일한 광학 렌즈를 공유하여 얻을 수 있습니다.이를 통해 빨간색과 녹색(노란색을 만들 수 있음)을 사용하는 삼색 LED(1980년대에 상업적으로 출시됨)와 전체 색상 스펙트럼을 포괄하는 나중에 RGB LED(빨간색, 녹색, 파란색)와 같은 다색 LED가 가능해졌습니다.
LED의 회로도 기호
LED의 회로도 기호는 원 안에 일반적인 다이오드 모양이며, 두 개의 작은 화살표가 반대쪽을 가리키고 있습니다(방출되는 빛을 나타냄). 아래 그림 (a)에 표시되어 있습니다.
LED, 발광 다이오드: (a) 회로도 기호. (b) 소자의 평평한 면과 짧은 리드는 음극과 음극의 내부 배열에 해당합니다. (c) LED 다이의 단면도.
소자에서 멀어지는 방향을 가리키는 두 개의 작은 화살표가 있는 이 표기법은 모든 발광 반도체 소자의 회로 기호에 공통적으로 적용됩니다. 반대로, 소자가 빛에 의해 활성화 되면 (즉, 들어오는 빛이 소자를 자극하면) 기호에는 소자를 향하는 두 개의 작은 화살표가 표시됩니다 . LED는 빛을 감지할 수 있습니다. 빛에 노출되면 작은 전압을 발생시키는데, 이는 소형 태양 전지와 유사합니다. 이러한 특성은 다양한 광 감지 회로에 유용하게 적용될 수 있습니다.
발광 다이오드 동작
LED는 실리콘 다이오드와 다른 화학 물질로 만들어지기 때문에 순방향 전압 강하가 다릅니다. 일반적으로 LED는 정류 다이오드보다 순방향 전압 강하가 훨씬 크며, 색상에 따라 약 1.6V에서 3V 이상까지 다양합니다. 표준 크기 LED의 일반적인 작동 전류는 약 20mA입니다. LED의 순방향 전압보다 높은 DC 전압 소스에서 LED를 작동시킬 경우, 전체 소스 전압이 LED를 손상시키는 것을 방지하기 위해 직렬 연결된 "강하" 저항을 포함해야 합니다. 아래 그림 (a)의 6V 소스를 사용하는 회로 예를 생각해 보겠습니다.
LED 전류를 20mA로 설정합니다. (a) 6V 소스의 경우, (b) 24V 소스의 경우.
LED가 1.6V를 떨어뜨리면 저항에는 4.4V가 떨어집니다. 20mA의 LED 전류에 대한 저항의 크기는 옴의 법칙 (R=E/I)에 따라 전압 강하(4.4V)를 회로 전류(20mA)로 나누면 됩니다. 그러면 220Ω이라는 값이 나옵니다.
220Ω 저항기의 전력 소모를 계산할 때, 전압 강하를 구하고 전류를 곱하면(P=IE) 88mW가 나오는데, 이는 1/8와트 저항기의 정격 내에 있습니다.
배터리 전압이 높을수록 더 큰 값의 강하 저항이 필요하며, 경우에 따라 더 높은 정격 전력 저항도 필요합니다. 위 그림 (b)의 공급 전압이 24V인 경우를 생각해 보겠습니다.
여기서는 LED가 1.6V만 받도록 20mA에서 22.4V를 떨어뜨리기 위해 강하 저항을 1.12kΩ로 늘려야 합니다. 이렇게 하면 저항의 전력 소모량이 448mW로, 거의 0.5W에 달합니다! 물론 1/8W 또는 1/4W의 전력 소모량을 가진 저항을 여기에 사용하면 과열될 것입니다.
LED 회로의 저항 감소
LED 회로의 경우, 강하 저항 값은 정확할 필요가 없습니다. 위 회로에서 1.12kΩ 저항 대신 1kΩ 저항을 사용했다고 가정해 보겠습니다. 그러면 회로 전류와 LED 전압 강하가 약간 더 커져 LED의 밝기가 더 밝아지고 수명이 약간 단축됩니다. 저항 값이 너무 큰 강하 저항(예: 1.12kΩ 대신 1.5kΩ)은 회로 전류, LED 전압, 그리고 밝기를 감소시킵니다. LED는 인가 전력 변화에 상당히 민감하므로, 강하 저항 크기를 완벽하게 맞출 필요는 없습니다.
회로 내 여러 개의 LED
조명처럼 여러 개의 LED가 필요한 경우가 있습니다. LED를 병렬로 구동하는 경우, 아래 그림 (a)와 같이 각 LED에 전류 제한 저항을 설치하여 전류 분배를 더욱 균등하게 해야 합니다. 그러나 LED를 직렬로 연결하는 것이 더 효율적입니다(아래 그림 (b)). 단일 강하 저항을 사용합니다. 직렬 LED 수가 증가함에 따라 전류를 일정 수준까지 유지하기 위해 직렬 저항 값을 줄여야 합니다. 직렬로 연결된 LED 수(Vf)는 전원 공급 장치의 용량을 초과할 수 없습니다. 아래 그림 (c)와 같이 여러 개의 직렬 스트링을 사용할 수도 있습니다.
여러 LED의 전류를 균등하게 조정하더라도, 개별 부품의 차이로 인해 장치의 밝기가 일치하지 않을 수 있습니다. 중요한 애플리케이션에 맞춰 밝기를 조정할 부품을 선택할 수 있습니다.
여러 개의 LED: (a) 병렬, (b) 직렬, (c) 직렬-병렬
LED는 고유한 화학적 구성으로 인해 일반 정류 다이오드보다 피크 역전압(PIV) 정격이 훨씬 낮습니다. 일반적인 LED는 역방향 바이어스 모드에서 5V까지만 정격 전압이 될 수 있습니다. 따라서 교류 전원을 사용하여 LED에 전원을 공급할 때는 아래 그림 (a)와 같이 반주기마다 보호 정류 다이오드를 LED와 역병렬로 연결하여 역방향 항복을 방지해야 합니다.
AC로 LED 구동
위 그림 (a)의 역병렬 다이오드는 역병렬 LED로 대체할 수 있습니다. 이렇게 구성된 역병렬 LED 쌍은 교류 사인파의 반주기가 번갈아 가며 켜집니다. 이 구성은 20mA의 전류를 소모하며, 교류 반주기가 번갈아 가며 각 LED에 균등하게 분배됩니다. 이러한 분배로 인해 각 LED는 10mA만 수신합니다. 정류기를 사용한 LED 역병렬 구성도 마찬가지입니다. LED는 10mA만 수신합니다. LED에 20mA가 필요한 경우, 저항 값을 절반으로 줄일 수 있습니다.
LED의 일반적인 사양
LED의 순방향 전압 강하는 파장(λ)에 반비례합니다. 적외선에서 가시광선, 자외선으로 파장이 짧아질수록 Vf는 증가합니다. 이러한 경향은 단일 제조업체의 다양한 장치에서 가장 두드러지지만, 여러 제조업체의 특정 색상 LED에 대한 전압 범위는 다양합니다. 이러한 전압 범위는 아래 표에 나와 있습니다.
주도의λ nm (= 10-9 m )V f (에서)V f (에)
| 적외선 | 940 | 1.2 | 1.7 |
| 빨간색 | 660 | 1.5 | 2.4 |
| 주황색 | 602-620 | 2.1 | 2.2 |
| 노랑, 녹색 | 560-595 | 1.7 | 2.8 |
| 흰색, 파란색, 보라색 | - | 3 | 4 |
| 자외선 | 370 | 4.2 | 4.8 |
LED 대 백열전구
램프로서 LED는 여러 면에서 백열전구보다 우수합니다.
가장 중요한 것은 효율성입니다. LED는 백열전구보다 와트당 훨씬 더 많은 광전력을 출력합니다. 이는 해당 회로가 배터리로 구동되는 경우 상당한 장점으로, 효율성은 배터리 수명 연장으로 이어집니다.
두 번째는 LED가 백열등보다 훨씬 더 안정적이며 수명이 훨씬 길다는 사실입니다. 이는 LED가 "차가운" 장치이기 때문입니다. 즉, 백열 금속 필라멘트를 사용하는 백열등보다 훨씬 낮은 온도에서 작동하며 기계적 및 열적 충격으로 인해 파손될 위험이 있습니다.
셋째, LED의 빠른 켜고 끄기 속도입니다. 이러한 장점은 LED의 "저온" 작동 방식 덕분이기도 합니다. 즉, 꺼짐에서 켜짐으로, 또는 그 반대로 전환할 때 열 관성을 극복할 필요가 없습니다. 이러한 이유로 LED는 빈 공간이나 광섬유 케이블을 통해 매우 빠른 속도(초당 수백만 펄스)로 디지털(켜짐/꺼짐) 정보를 빛의 펄스 형태로 전송하는 데 사용됩니다.
LED는 교통 신호등이나 자동차 후미등과 같은 단색 조명 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 백열전구는 필터링이 필요하여 효율이 떨어지기 때문에 이러한 분야에서는 적합하지 않습니다. 반면 LED는 필터링이 필요하지 않습니다.
LED의 단점
LED를 조명원으로 사용할 때 가장 큰 단점은 단색(단색) 발광입니다. 빨간색, 초록색, 파란색 LED 아래에서 책을 읽고 싶은 사람은 아무도 없을 것입니다. 하지만 여러 LED를 조합하여 사용하면 더욱 넓은 스펙트럼의 빛을 낼 수 있습니다. 새로운 광범위 광원은 백색 LED입니다. 소형 백색 패널 표시등은 수년 동안 사용되어 왔지만, 조명 등급 장치는 아직 개발 중입니다.
LED 및 다양한 조명의 효율과 수명
램프 유형효율 루멘/와트생활 시간노트
| 백색 LED | 35 | 10만 | 비용이 많이 드는 |
| 백색 LED, 미래 | 100 | 10만 | 연구개발 목표 |
| 백열등 | 12 | 1000 | 저렴한 |
| 할로겐 | 15-17 | 2000 | 고품질 조명 |
| 컴팩트 형광등 | 50-100 | 10,000 | 비용 효율적 |
| 나트륨 증기, lp | 70-200 | 20,000 | 집 밖의 |
| 수은 증기 | 13-48 | 18,000 | 집 밖의 |
백색 LED는 노란색 빛을 방출하는 형광체를 여기시키는 청색 LED입니다. 청색과 황색은 백색광에 가깝습니다. 형광체의 특성은 빛의 특성을 결정합니다. 적색 형광체를 첨가하면 황색과 청색 혼합물의 품질을 향상시킬 수 있지만, 효율은 떨어집니다. 위 표는 백색 LED를 향후 출시될 장치 및 기타 기존 램프와 비교합니다. 효율은 입력 전력 1와트당 광출력 루멘(lm)으로 측정합니다. 50루멘/와트 장치를 100루멘/와트로 향상시킬 수 있다면, 백색 LED는 효율 면에서 콤팩트형 형광등과 비슷해질 것입니다.
LED의 역사
LED는 1960년대부터 주요 연구 개발 주제였습니다. 이 때문에 수십 년에 걸쳐 개발된 모든 기하학적 구조, 화학 성분, 그리고 특성을 포괄하는 것은 비현실적입니다. 초기 소자는 비교적 어둡고 적당한 전류를 사용했습니다. 이후 세대에서는 효율이 향상되어 불이 켜진 LED를 가까이서 직접 보는 것은 위험할 정도입니다. 이는 눈 손상을 초래할 수 있으며, LED는 전압(Vf)과 전류 감소를 약간만 증가시키면 되었습니다. 최신 고강도 소자는 0.7A(82루멘/와트, Luxeon Rebel 시리즈 쿨 화이트)를 사용하여 180루멘에 도달했으며, 더 높은 강도의 모델은 더 높은 전류를 사용하여 밝기를 높일 수 있습니다. 양자점과 같은 다른 개발품도 현재 연구 중이므로 향후 이러한 소자에 대한 새로운 기술들이 등장할 것으로 기대됩니다.
레이저 다이오드
레이저
레이저 다이오드는 일반적인 발광 다이오드(LED)를 더욱 발전시킨 것입니다. "레이저"라는 용어 자체는 종종 소문자로 표기되지만, 실제로는 약어입니다. "레이저"는 "방사선의 S 자극 된 E 임무 에 의한 광 증폭 (Light Amplification by S timulated E mission of R adiation)"의 약자로, 물질 내 고준위 에너지 상태에서 저준위 에너지 상태로 떨어지는 전자에서 방출되는 특성광이 물질 내 다른 전자들을 자극하여 유사한 "점프"를 일으키도록 하는 또 다른 기묘한 양자 과정을 나타냅니다. 그 결과 물질에서 동기화된 빛이 출력됩니다. 이러한 동기화는 방출되는 빛의 실제 위상 까지 확장되어 , "레이징" 물질에서 방출되는 모든 광파는 주파수(색상)가 동일할 뿐만 아니라 서로 동일한 위상을 가지므로 서로를 강화하고 매우 좁고 분산되지 않는 빔 형태로 이동할 수 있습니다. 이것이 레이저 광이 장거리에서도 놀라울 정도로 집중되는 이유입니다. 레이저에서 나오는 모든 광파는 서로 같은 위상을 갖습니다.
(a) 다양한 파장의 백색광. (b) 단일 파장의 단색 LED 광. (c) 위상 간섭 레이저 광.
백열전구는 위 그림 (a)와 같이 "백색"(혼합 주파수 또는 혼합 색상) 빛을 생성합니다. 일반 LED는 단색광, 즉 주파수(색상)는 같지만 위상이 달라 그림 (b)와 같이 유사한 빔 분산을 생성합니다. 레이저 LED는 코히런트 광 , 즉 단색광(단일 색상)과 단상광(단일 위상)을 모두 생성하여 그림 (c)와 같이 정밀한 빔 집속을 생성합니다.
레이저 광은 현대 사회에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 측량 분야에서는 직선적이고 분산되지 않는 광선이 측정 마커를 정확하게 조준하는 데 매우 유용하며, 광 디스크의 읽기 및 쓰기 분야에서는 집중된 레이저 빔의 좁은 범위만이 디지털 정보의 이진수 1과 0으로 구성된 디스크 표면의 미세한 "구덩이"를 분해할 수 있습니다.
일부 레이저 다이오드는 짧은 시간 동안 대량의 전압과 전류를 공급하기 위해 특수 고출력 "펄싱" 회로가 필요합니다. 다른 레이저 다이오드는 더 낮은 전력으로 연속 작동할 수 있습니다. 연속 레이저에서는 레이저 동작이 특정 다이오드 전류 범위 내에서만 발생하므로 일종의 전류 조정 회로가 필요합니다. 레이저 다이오드는 수명이 다하면 전력 요구량이 변할 수 있습니다(출력 전력이 낮으면 더 많은 전류가 필요함). 하지만 LED와 같은 저출력 레이저 다이오드는 수명이 상당히 길어 일반적인 사용 수명이 수만 시간이라는 점을 기억해야 합니다.
포토다이오드
포토 다이오드는 자외선, 가시광선 또는 적외선 조사에 반응하여 전자 전류 흐름을 생성하도록 최적화된 다이오드입니다. 포토다이오드 제작에는 실리콘이 가장 많이 사용되지만, 게르마늄과 갈륨비소도 사용할 수 있습니다. 빛이 반도체에 입사하는 접합은 대부분의 빛을 활성 영역(공핍 영역)으로 전달할 수 있을 만큼 얇아야 하며, 여기서 빛은 전자 정공 쌍으로 변환됩니다.
아래 그림에서 N형 웨이퍼에 얕은 P형 확산이 발생하면 웨이퍼 표면 근처에 PN 접합이 형성됩니다. P형 층은 최대한 많은 빛을 통과시키려면 얇아야 합니다. 웨이퍼 뒷면의 두꺼운 N+ 확산은 금속화 층과 접촉합니다. 상단 금속화 층은 대형 셀의 경우 웨이퍼 상단에 미세한 금속 핑거(finger) 형태로 배열될 수 있습니다. 소형 포토다이오드의 경우, 상단 접촉은 맨 P형 실리콘 상단과 접촉하는 단일 본드 와이어일 수 있습니다.
포토다이오드: 회로도 기호 및 단면도.
포토다이오드는 어떻게 작동하나요?
포토다이오드 스택 상단으로 들어오는 빛의 세기는 깊이에 따라 기하급수적으로 감소합니다. 얇은 상단 P형 층은 대부분의 광자가 전자-정공 쌍이 형성되는 공핍 영역으로 통과할 수 있도록 합니다. 다이오드 내부 전위로 인한 공핍 영역을 가로지르는 전기장은 전자가 N층으로, 정공이 P층으로 이동하게 합니다.
실제로 전자-정공 쌍은 어느 반도체 영역에서나 형성될 수 있습니다. 그러나 공핍 영역에서 형성된 전자-정공 쌍은 각각 N 영역과 P 영역으로 분리될 가능성이 가장 높습니다. P 영역과 N 영역에서 형성된 전자-정공 쌍 중 많은 수가 재결합합니다. 공핍 영역에서는 소수만이 재결합합니다. 따라서 N 영역과 P 영역의 소수 전자-정공 쌍, 그리고 공핍 영역의 대부분의 전자-정공 쌍이 광전류 , 즉 포토다이오드에 입사되는 빛으로부터 생성되는 전류에 기여합니다.
포토다이오드 동작
포토다이오드 출력 전압을 관찰할 수 있습니다. 이 태양광 (PV) 모드에서의 동작은 넓은 동적 범위에서 선형적이지는 않지만, 100kHz 미만의 주파수에서는 민감하고 잡음이 적습니다. 선호되는 동작 모드는 광전류(PC) 모드인데, 이는 전류가 수십 배의 세기에서 광속(light flux)에 선형적으로 비례하고 더 높은 주파수 응답을 얻을 수 있기 때문입니다. PC 모드는 포토다이오드에 역방향 바이어스 또는 영 바이어스를 인가하여 구현됩니다. PC 모드에서는 포토다이오드와 함께 전류 증폭기(트랜스임피던스 증폭기)를 사용해야 합니다. 다이오드가 순방향 바이어스되지 않는 한 선형성과 PC 모드가 유지됩니다.
광전 다이오드는 태양 전지와 달리 고속 동작이 요구되는 경우가 많습니다. 속도는 다이오드 정전용량의 함수이며, 셀 면적을 줄임으로써 정전용량을 최소화할 수 있습니다. 따라서 고속 광섬유 링크용 센서는 필요 면적(예: 1mm²)보다 크지 않은 면적을 사용합니다. 또한, 제조 공정에서 공핍 영역의 두께를 늘리거나 다이오드의 역방향 바이어스를 증가시켜 정전용량을 줄일 수도 있습니다.
다양한 종류의 PIN 다이오드
PIN 다이오드 PIN 다이오드 또는 PIN 다이오드는 아래 그림과 같이 P 영역과 N 영역 사이에 진성층을 갖는 광전 다이오드입니다. P-N 구조 는 P 영역 과 N 영역 사이의 거리를 늘려 정전용량을 감소시키고 속도를 향상시킵니다. 감광 영역의 부피 또한 증가하여 변환 효율을 향상시킵니다. 대역폭은 수십 GHz까지 확장될 수 있습니다. PIN 광전 다이오드는 높은 감도와 빠른 속도를 적당한 비용으로 제공하는 데 적합합니다.
PIN 포토다이오드: 고유 영역은 고갈 영역의 두께를 증가시킵니다.
애벌랜치 광전 다이오드: 높은 역방향 바이어스에서 작동하도록 설계된 애벌랜치 광전 다이오드(APD)는 광전 증배관과 유사한 전자 증배 효과를 나타냅니다. 역방향 바이어스는 수십 볼트에서 거의 2000V까지 작동할 수 있습니다. 높은 역방향 바이어스는 진성 영역에서 광자에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 가속시켜 추가 캐리어가 결정 격자와 충돌하지 않도록 충분히 높은 속도로 만듭니다. 따라서 광자 하나당 많은 전자가 생성됩니다. APD의 목적은 외부 증폭기의 잡음을 극복하기 위해 광전 다이오드 내부 증폭을 달성하는 것입니다. 이는 어느 정도 효과가 있습니다. 그러나 APD는 자체적으로 잡음을 발생시킵니다. 고속에서는 APD가 PIN 다이오드 증폭기 조합보다 우수하지만, 저속 응용 분야에서는 그렇지 않습니다. APD는 가격이 비싸서 광전 증배관 가격 정도입니다. 따라서 PIN 광전 다이오드와 경쟁할 수 있는 분야는 소규모 응용 분야뿐입니다. 이러한 응용 분야 중 하나는 핵물리학에 적용되는 단일 광자 계수입니다.
태양 전지
부하에 전력을 효율적으로 전달하도록 최적화된 포토다이오드를 태양 전지 라고 합니다 . 태양 전지는 부하 저항에 걸리는 전압에 의해 순방향 바이어스가 걸리므로 광전지 모드(PV)로 작동합니다.
단결정 태양 전지
단결정 태양전지는 반도체 공정과 유사한 공정으로 제조됩니다. 이 공정은 용융된 고순도 실리콘(P형)으로부터 단결정 볼(Boule)을 성장시키는 것을 포함하지만, 반도체만큼 순도가 높지는 않습니다. 볼은 다이아몬드 톱이나 와이어 톱으로 웨이퍼를 만듭니다. 볼의 끝부분은 폐기하거나 재활용해야 하며, 톱질 과정에서 실리콘이 손실됩니다. 현대 태양전지는 거의 정사각형이기 때문에 볼을 정사각형으로 만드는 과정에서 실리콘이 손실됩니다. 빛을 셀 내부에 가두기 위해 표면을 거칠게(텍스처링) 하기 위해 셀을 에칭할 수도 있습니다. 10cm 또는 15cm 정사각형 웨이퍼를 생산하는 과정에서 상당한 양의 실리콘이 손실됩니다. 오늘날(2007년) 태양전지 제조업체는 이 단계에서 반도체 업계 공급업체로부터 웨이퍼를 구매하는 것이 일반적입니다.
태양 전지 부품
P형 웨이퍼는 용융 실리카 보트에 백투백 방식으로 로딩되어 확산로에서 N형 도펀트에 외부 표면만 노출됩니다. 확산 공정은 셀 상단에 얇은 n형 층을 형성합니다. 확산은 또한 셀의 가장자리를 앞뒤로 단락시킵니다. 셀의 단락을 해소하려면 플라즈마 에칭으로 주변부를 제거해야 합니다. 셀 뒷면에는 은 또는 알루미늄 페이스트를, 앞면에는 은 그리드를 도포합니다. 이 페이스트들은 양호한 전기적 접촉을 위해 퍼니스에서 소결됩니다. (아래 그림 참조)
셀은 금속 리본으로 직렬로 연결되어 있습니다. 12V 배터리를 충전하기 위해 약 0.5V 전압의 셀 36개가 유리와 폴리머 금속 후면 사이에 진공 라미네이션되어 있습니다. 유리는 빛을 가두는 데 도움이 되도록 질감이 있는 표면을 가질 수 있습니다.
실리콘 태양 전지
최고의 상용 고효율(21.5%) 단결정 실리콘 태양 전지는 모든 접점이 셀 뒷면에 있습니다. 셀의 활성 영역은 상단 (-) 접점 도체를 셀 뒷면으로 이동시켜 증가합니다. 상단 (-) 접점은 일반적으로 셀 상단의 N형 실리콘에 연결됩니다. 아래 그림에서 (-) 접점은 하단의 N + 확산부와 (+) 접점이 서로 엇갈려 배치되어 있습니다. 상단 표면은 셀 내부로 빛을 가두는 데 도움이 되도록 질감 처리되어 있습니다. [VSW]
모든 접점이 뒷면에 있는 고효율 태양 전지. 그림 1에서 발췌 [VSW]
다양한 종류의 태양 전지
다결정 실리콘 셀은 용융 실리콘을 직사각형 몰드에 주조하는 방식으로 시작됩니다. 실리콘이 냉각되면서 결정화되어 하나의 결정이 아닌, 여러 개의 크고 (mm에서 cm 크기) 무작위로 배열된 결정으로 변합니다. 나머지 공정은 단결정 셀과 동일합니다. 완성된 셀은 마치 셀에 균열이 생긴 것처럼 개별 결정을 나누는 선이 나타납니다. 결정립계 손실로 인해 높은 효율은 단결정 셀만큼 높지 않습니다. 결정의 무작위 배열로 인해 셀 표면은 에칭으로 거칠게 만들 수 없습니다. 그러나 반사 방지 코팅은 효율을 향상시킵니다. 이 셀은 우주 응용 분야를 제외한 모든 분야에서 경쟁력을 갖추고 있습니다.
3층 셀 : 최고 효율의 태양전지는 태양 스펙트럼의 각기 다른 부분을 흡수하도록 조정된 세 개의 셀을 적층한 것입니다. 세 개의 셀을 서로 겹쳐 쌓을 수도 있지만, 20개의 반도체 층으로 구성된 단일 결정 구조가 더 컴팩트합니다. 32%의 효율로 현재(2007년) 우주 응용 분야에서 실리콘보다 선호되고 있습니다. 높은 비용 때문에 렌즈나 거울 기반 집광기 외에는 지상에서 다양한 용도로 활용되지 못하고 있습니다.
최근 집중적인 연구를 통해 지상 집광기에 적합하도록 개선된 버전이 개발되었으며, 400~1000 태양과 40.7%의 효율을 달성했습니다. 이를 위해서는 크고 저렴한 프레넬 렌즈 또는 반사경과 고가의 반도체를 작은 면적에 사용해야 합니다. 이러한 조합은 태양광 발전소용 저가 실리콘 전지와 경쟁할 수 있을 것으로 예상됩니다. [RRK] [LZy]
3층 태양 전지 제작
금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)은 P형 게르마늄 기판 위에 박막을 증착합니다. 1.85 eV의 밴드갭을 갖는 N형 및 P형 갈륨 인듐 인화물(GaInP) 최상층은 자외선과 가시광선을 흡수합니다. 이 파장들은 밴드갭을 초과할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있습니다.
더 긴 파장(낮은 에너지)은 전자-정공 쌍을 형성할 충분한 에너지를 갖지 못하여 다음 층으로 전달됩니다. 1.42 eV의 밴드갭을 갖는 갈륨비소층은 근적외선을 흡수합니다.
마지막으로 게르마늄 층과 기판은 원적외선을 흡수합니다. 세 개의 셀로 구성된 직렬 셀은 세 셀의 전압을 합한 전압을 생성합니다. 각 물질에서 발생하는 전압은 아래 표에 나열된 밴드갭 에너지보다 0.4V 낮습니다. 예를 들어, GaInP의 경우: 1.8 eV/e - 0.4 V = 1.4 V. 세 물질 모두의 전압은 1.4 V + 1.0 V + 0.3 V = 2.7 V입니다. [BRB]
층밴드갭흡수된 빛
| 갈륨 인듐 인화물 | 1.8eV | 자외선, 가시광선 |
| 비소화 갈륨 | 1.4eV | 근적외선 |
| 게르마늄 | 0.7eV | 원적외선 |
결정질 태양 전지 어레이는 긴 사용 수명을 자랑합니다. 많은 어레이가 25년 보증되며, 40년까지도 사용 가능한 것으로 알려져 있습니다. 비정질 실리콘에 비해 초기 성능 저하가 발생하지 않습니다.
단결정 및 다결정 태양 전지는 모두 실리콘 웨이퍼를 기반으로 합니다. 실리콘은 기판이자 활성 소자층입니다. 따라서 많은 양의 실리콘이 소모됩니다. 이러한 유형의 태양 전지는 수십 년 동안 사용되어 왔으며, 태양광 시장의 약 86%를 차지합니다. 결정질 태양 전지에 대한 자세한 내용은 Honsberg를 참조하십시오. [CHS]
비정질 실리콘 박막 태양전지는 활성 원료인 실리콘을 미량 사용합니다. 기존 결정질 태양전지 가격의 약 절반이 태양전지용 실리콘입니다. 박막 증착 공정은 이러한 비용을 절감합니다.
단점은 효율이 기존 결정질 셀의 약 절반 수준이라는 것입니다. 게다가 햇빛에 노출되면 효율이 15~35%까지 떨어집니다. 효율이 7%인 셀도 곧 5% 효율로 떨어집니다. 박막 비정질 실리콘 셀은 어두운 곳에서 결정질 셀보다 더 잘 작동합니다. 태양열 계산기에 유용하게 활용됩니다.
비실리콘 기반 태양전지는 시장의 약 7%를 차지합니다. 이는 박막 다결정 제품입니다. 다양한 화합물 반도체가 연구 개발 중입니다. 일부 비실리콘 제품도 생산 중입니다. 일반적으로 비정질 실리콘보다 효율이 우수하지만 결정질 실리콘만큼 좋지는 않습니다.
금속이나 유리 위에 다결정 박막으로 증착된 텔루르화카드뮴은 비정질 실리콘 박막보다 효율이 더 높을 수 있습니다. 금속 위에 증착될 경우, 해당 층은 텔루르화카드뮴 박막의 음극 접촉면이 됩니다. 텔루르화카드뮴 위의 투명한 P형 황화카드뮴은 완충층 역할을 합니다. 양극 접촉면은 투명하고 전기 전도성이 있는 불소 도핑된 산화주석입니다. 다음 단락의 공정에서 이러한 층들은 유리 대신 희생 포일 위에 증착될 수 있습니다. 희생 포일은 셀이 영구 기판에 장착된 후 제거됩니다.
유리 또는 금속 위의 텔루륨 카드뮴 태양 전지.
텔루르화 카드뮴 태양 전지 만들기
유리에 텔루르화 카드뮴을 증착하는 공정은 유리 기판에 N형 투명하고 전기 전도성이 있는 산화주석을 증착하는 것으로 시작됩니다. 다음 층은 P형 텔루르화 카드뮴이지만, N형 또는 진성 텔루르화 카드뮴을 사용할 수도 있습니다. 이 두 층은 NP 접합을 구성합니다. 텔루르화 납의 AP + (중 P형) 층은 저저항 접촉을 형성하는 데 도움이 됩니다. 금속층은 텔루르화 납과의 최종 접촉을 형성합니다. 이러한 층들은 진공 증착, 화학 기상 증착(CVD), 스크린 인쇄, 전착 또는 헬륨에서 대기압 화학 기상 증착(APCVD)을 통해 형성될 수 있습니다. [KWM]
텔루르화 카드뮴의 한 변형은 수은 텔루르화 카드뮴입니다. 텔루르화 카드뮴보다 체적 저항과 접촉 저항이 낮아 효율이 향상됩니다.
카드뮴 인듐 갈륨 디셀레나이드 태양 전지(CIGS)
카드뮴 인듐 갈륨 디셀레나이드: 현재(2007년) 가장 유망한 박막 태양전지는 10인치 폭의 유연한 폴리이미드인 카드뮴 인듐 갈륨 디셀레나이드(CIGS) 롤에 제조됩니다. 이 태양전지는 10%라는 놀라운 효율을 자랑합니다. 상업용 결정질 실리콘 태양전지는 수십 년 전에 이미 이 효율을 넘어섰지만, CIGS는 비용 경쟁력을 갖추고 있습니다. 증착 공정은 금속이나 유리 대신 폴리이미드 폴리머를 기판으로 사용할 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도에서 이루어집니다. (위 그림) CIGS는 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 제조되므로 비용이 절감될 것입니다. GIGS 태양전지는 본질적으로 저렴한 전기화학 공정으로도 생산될 수 있습니다. [EET]
검토:
- 대부분의 태양전지는 효율성이 좋고 비용이 적당하기 때문에 실리콘 단결정 또는 다결정으로 만들어집니다.
- 나머지 시장은 다양한 비정질 또는 다결정 재료로 만들어진 효율성이 낮은 박막으로 구성되어 있습니다.
- 아래 표는 선택된 태양 전지를 비교한 것입니다.
태양 전지 유형최대 효율실용적인 효율성노트
| 셀레늄, 다결정 | 0.7% | - | 1883, 찰스 프리츠 |
| 실리콘, 단결정 | - | 4% | 1950년대, 최초의 실리콘 태양 전지 |
| 실리콘, 단결정 PERL, 지구, 우주 | 25% | - | 태양광 자동차, 비용 = 상업용 자동차의 100배 |
| 실리콘, 단결정, 상업용 지상파 | 24% | 14-17% | 피크 와트당 $5-$10 |
| Cypress Semiconductor, Sunpower, 실리콘 단결정 | 21.5% | 19% | 휴대폰 뒷면의 모든 연락처 |
| 갈륨 인듐 인화물/갈륨 비소화물/게르마늄, 단결정, 다층 | - | 32% | 공간적으로 선호됨. |
| 위의 지상 버전을 더욱 발전시켰습니다. | - | 40.7% | 광학 집광기를 사용합니다. |
| 실리콘, 다결정 | 18.5% | 15.5% | - |
| 박막, | - | - | - |
| 실리콘, 비정질 | 13% | 5-7% | 햇빛에 약합니다. 실내에서는 계산기를 두는 데 적합하고, 흐린 야외에서는 사용하기 좋습니다. |
| 다결정 텔루르화 카드뮴 | 16% | - | 유리 또는 금속 기판 |
| 구리 인듐 비소화 디셀레나이드, 다결정 | 18% | 10% | 10인치 유연한 폴리머 웹. [NTH] |
| 유기 폴리머, 100% 플라스틱 | 4.5% | - | 연구개발 프로젝트 |