أخبار التكنولوجيا

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 Mathematica1-2
  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 εز. 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:

تطبيقات قياس البطارية

06.15.2023

هل أصبح التصوير الحراري سائدًا؟

06.15.2023

USB PD 3.1 EPR القوى محرك 24V DC موتور

06.12.2023

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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.

الشكل 1: يصطدم تدفق الفوتون بأشباه الموصلات.
الشكل 1: يصطدم تدفق الفوتون بأشباه الموصلات

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

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

أين أناγ هو التيار الضوئي (بسبب الشحنات الناتجة عن الفوتونات) و أنار 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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

ال الاستجابة الطيفية (أو الاستجابة) للموصل الضوئي بواسطة:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

في ظروف مثالية η لا تعتمد على الطول الموجي λ، لذلك تزيد الاستجابة خطيًا مع λ تصل إلى حد القطع λالأعلى 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.

الشكل 2: استجابة موصل ضوئي تكون فيه المساهمة الحرارية للتيار ضئيلة.
الشكل 2: استجابة موصل ضوئي تكون فيه المساهمة الحرارية للتيار ضئيلة
الشكل 3: الاتجاهات المحتملة لاستجابة الموصل الضوئي حيث تكون المساهمة الحرارية للتيار لا تكاد تذكر.
الشكل 3: الاتجاهات المحتملة لاستجابة الموصل الضوئي حيث تكون المساهمة الحرارية للتيار غير مهملة

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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

أين: أنا0> 0 هو تيار التشبع العكسي ، الخامستي 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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

ل أناγ = 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 أناγ 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.

الشكل 4: المنحنيات المميزة للجهد الحالي للديود الضوئي.
الشكل 4: المنحنيات المميزة للجهد الحالي للديود الضوئي
الشكل 5: رمز الثنائي الضوئي.
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 الخامسγ (معروف ب القدرة الكهروضوئية). يمكن ملاحظة ذلك من الناحية التحليلية عن طريق ضبط الجانب الثاني من المعادلة (13) على صفر. نحصل:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

من المعادلة (14) نرى ذلك الخامسγ يزيد لوغاريتميًا مع أناγ 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:

ملاحظات علمية حول إلكترونيات الطاقة: الثنائيات الضوئية ومصابيح LED

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

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *