ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

تم تنظيم هذه المجموعة من الملاحظات على إلكترونيات الطاقة على النحو التالي:

1. النهج الرياضي للمشكلة
2. تنفيذ الحل في بيئة الحوسبة Mathematica^1-2
3. التفسير المادي للنتائج التي تم الحصول عليها. لن يتم تضمين رمز Mathematica هنا ، حيث من الممكن استخدام أداة برمجية مكافئة.

متطلبات قراءة هذه الدروس هي المعرفة الأساسية للهندسة الكهربائية.³

الثنائيات الضوئية والجهد الكهروضوئي

تفضل طاقة حادثة الإشعاع الكهرومغناطيسي على بلورة أشباه الموصلات التوصيل الكهربائي ، بشرط أن تكون طاقة الفوتونات التي تشكل الإشعاع أكبر من فجوة الحزمة ε_ز. وبذكر العلاقة التي تربط طاقة الفوتونات بالتردد ثم التعبير عنها من حيث الطول الموجي ، يتم الحصول على حالة التأين على النحو التالي:

حيث يتم التعبير عن الطاقة في eV والطول الموجي في µم. بالنسبة للسيليكون والجرمانيوم ، لدينا:

يمكننا استخدام أشباه موصلات ذات فجوة نطاق أصغر للوصول إلى طول موجي يبلغ حوالي 6.9 µم. ومع ذلك ، نحن في نطاقات الأشعة تحت الحمراء المرئية والبعيدة. يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي الأساسي للموصل الضوئي: يرجع المجال الكهربائي E إلى البطارية التي تنشئ فرقًا محتملًا عبر أشباه الموصلات.

يتم إنشاء أزواج ثقب الإلكترون حرارياً وفوتونياً ، بشرط استيفاء الشرط (1). نتيجة لذلك ، يمكن التعبير عن التيار كمجموع مساهمتين:

أين أنا_γ هو التيار الضوئي (بسبب الشحنات الناتجة عن الفوتونات) و أنا_ر هو المكون المتولد حراريا. من الضروري جعل المساهمة الحرارية ضئيلة بالنسبة للموصلات الضوئية المستخدمة في أجهزة الكشف الفلكية ، لأنها مصدر ضوضاء. يمكن القيام بذلك عن طريق تبريد النظام من خلال تقنيات التبريد. يُعطى الفوتون الموضح في الشكل 1 ، وهو عدد الفوتونات لكل وحدة زمنية ووحدة مساحة السطح (الوجه العلوي للبلورة) من خلال:

بافتراض التشعيع المنتظم ، يمكن اعتبار التدفق ثابتًا. الاتصال η احتمال أن الفوتون يؤين رابطة تساهمية كفاءة ذرية، يتم تحديد عدد الرسوم التي تم إنشاؤها في الوحدة الزمنية من خلال:

أين س هو سطح الوجه العلوي من الكريستال و أ هو عامل ثابت يمكننا تعيينه ليساوي 2 لأن كل فوتون يطلق شحنتين مع احتمال η. إذ تشير إلى تعريف التنقل µ من الممكن تحديد تدفق الإلكترونات في دائرة التحيز (إن تدفق الثقوب لا يكاد يذكر لأن لديهم قدرة أقل على الحركة). من خلال تنفيذ العلاقة مع تدفق الفوتونات ، نحصل على كسب ضوئي:

أين τ هو متوسط ​​عمر الإلكترونات. بهذه الطريقة ، يتصرف الموصل الضوئي مثل محول الطاقة الذي يحول الضوء إلى تيار كهربائي بكفاءة ηG_{الكمبيوتر}. القيم النموذجية المستخدمة في الفيزياء الفلكية هي كما يلي:

ال الاستجابة الطيفية (أو الاستجابة) للموصل الضوئي بواسطة:

أين دبليو_γهي القدرة الإشعاعية المدخلة. في البسط ، يجب أن نأخذ في الاعتبار كلا المساهمتين في التيار (الفوتونات ، درجة الحرارة). يمكننا أن نكتب في الفيزياء الفلكية:

في ظروف مثالية η لا تعتمد على الطول الموجي λ، لذلك تزيد الاستجابة خطيًا مع λ تصل إلى حد القطع λ_الأعلى تعطى بالمعادلة (1). هذا موضح في الشكل 2. يحدث انخفاض الاستجابة بشكل مستمر بفضل المكون الحراري للتيار الذي يصبح سائدًا للأطوال الموجية القريبة من القطع ، لذلك نتوقع اتجاهًا من النوع الموضح في الشكل 3.

لقد درسنا الموصلية الضوئية في حالة أشباه الموصلات الجوهرية. الخطوة التالية هي أ ص– تقاطع مضاء بتدفق الفوتونات. يمكننا ملاحظة البيانات التجريبية التالية: منحازة عكسية ومضيئة ص– يتم عبور الوصلة بواسطة تيار يزيد خطيًا مع تدفق الفوتون.

لنفكر في ملف ن-نوع أشباه الموصلات ، وقل ن₀، ص₀ تركيزات الإلكترونات والثقوب في حالة التوازن. إذا قمنا في لحظة معينة “بإضاءة” البلورة ، فإن التركيزات المذكورة أعلاه ستخضع لزيادات مماثلة ∆ن = ∆ص> 0. ومع ذلك ، لأن أشباه الموصلات ن– النوع ، النسبة المئوية للزيادات مختلفة جدًا. بدقة:

تنطبق نفس الحجج عند التبديل إلى أشباه الموصلات من النوع p ، حيث يتم تبديل الأدوار المذكورة أعلاه بوضوح.

باختصار: يعمل تدفق الفوتون بشكل حصري تقريبًا على ناقلات الأقلية. يتم التعبير عن هذا بالقول أن الإشعاع يتصرف مثل حاقن حاملات الأقليات.

في تقاطع pn ، نظرًا لأن تيار التشبع العكسي يرجع إلى ناقلات الأقلية في كل منهما ن و ص المناطق ، يفضل الإشعاع زيادة هذا التيار. دعونا نتذكر الجهد-
السمة الحالية:

أين: أنا₀> 0 هو تيار التشبع العكسي ، الخامس_تي هو الفولت المكافئ لدرجة الحرارة ، بينما الخامس هو la ddp المطبق ، مع ت> 0 في التحيز الأمامي والعكس صحيح. عن طريق تغيير علامة التيار بحيث أنا يمكن رسمها كدالة لـ |الخامس| مع v < 0 ، لدينا:

يؤدي إضاءة الصمام الثنائي إلى زيادة التيار ، لذلك نحتاج إلى إضافة المصطلح أنا_γ:

ل أنا_γ = 0 ، لدينا “التيار المظلم” ، تيار التشبع العكسي النموذجي الذي يمر الرسم البياني الخاص به عبر الأصل. على العكس من ذلك ، من أجل الخامس = 0 فقط أنا_γ يدور في الدائرة ، لذلك لا يمر الرسم البياني للمعادلة (13) من خلال الأصل. من نفس المعادلة ، نرى أن إجمالي التيار يزداد مع نفس جهد التحيز العكسي المطبق ، مما يزيد من شدة الإضاءة (وبالتالي iγ). باختصار ، نحصل على مجموعة من المنحنيات المميزة كما هو موضح في الشكل 4. يوضح الشكل 5 رمز الثنائي الضوئي.

فيما يتعلق بالتحيز إلى الأمام ، فإن الجدال حول حاجز الطاقة الكامن هو الأفضل. لقد رأينا في إصدار سابق أن تقاطع pn يحتوي على إمكانات مضمنة الخامس₀ الذي يتوافق مع حاجز الطاقة في الارتفاع فولت₀، كون ه القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون. من خلال إضاءة البلورة في دائرة مفتوحة ، تفضل الطاقة الكهرومغناطيسية خفض الحاجز بمقدار مقسوم على هيعيد المحتملة الخامس_γ (معروف ب القدرة الكهروضوئية). يمكن ملاحظة ذلك من الناحية التحليلية عن طريق ضبط الجانب الثاني من المعادلة (13) على صفر. نحصل:

من المعادلة (14) نرى ذلك الخامس_γ يزيد لوغاريتميًا مع أنا_γ وبالتالي مع التدفق الضوئي.

LED (انبعاث الضوء)

تستخدم مصابيح LED عملية فيزيائية معاكسة لتلك التي تميز الثنائيات الضوئية. في الواقع ، بينما يمتص الأخير الطاقة الضوئية لإعادة الكهرباء ، تمتص مصابيح LED الكهرباء لإصدار الضوء. من حيث المبدأ ، فإن عملية إعادة تركيب ثقب الإلكترون هي التي توفر الطاقة. على وجه التحديد ، يجب أن نوفر الطاقة (الحرارية ، الخفيفة) لتأين الروابط التساهمية. في إطار ميكانيكا الكم ، إذاه هو الفرق بين مستويات الطاقة التي يشغلها الثقب والإلكترون على التوالي ، في عملية إعادة التركيب سينبعث فوتون من التردد:

مراجع

¹ولفرام ، س. (2015). “مقدمة أولية للغة ولفرام.” ولفرام ميديا ​​، إنك.
²ريدل ، أ. ، وديك ، س. (1995). “الهندسة الإلكترونية التطبيقية مع ماثيماتيكا.” أديسون ويسلي.
³ناحفي ، م. (2018). “مخطط Schaum للدوائر الكهربائية.” ماكجرو هيل بروفيشنال.
⁴ميلمان ، ج. ، وجرابيل ، أ. (1988). “الإلكترونيات الدقيقة”. ماكجرو هيل.
⁵ملاحظات علمية على إلكترونيات الطاقة