专用二极管
肖特基二极管
S 肖特基二极管 由金属构成 -to-N 结而不是 P-N 半导体结。也称为热载体 肖特基二极管具有开关时间快（反向恢复时间短）、正向压降低（金属硅结通常为 0.25 至 0.4 伏）和结电容低的特点。
肖特基二极管的原理图符号如下图所示。
肖特基二极管原理图符号。
肖特基二极管的优缺点
肖特基二极管的正向压降 (VF)、反向恢复时间 (trr) 和结电容 (CJ) 比一般的“整流”二极管更接近理想。这使它们非常适合高频应用。然而不幸的是，肖特基二极管的正向电流 (IF) 和反向电压（VRRM 和 VDC）额定值通常低于整流二极管，因此不适用于涉及大量功率的应用。虽然它们用于低压开关稳压电源。
肖特基二极管的应用
肖特基二极管技术在高速计算机电路中得到了广泛的应用，快速开关时间相当于高速能力，低正向压降相当于导通时的低功耗。
工作在 100 kHz 的开关稳压电源不能使用传统的硅二极管作为整流器，因为它们的开关速度很慢。当施加到二极管的信号从正向偏置变为反向偏置时，导通会持续很短的时间，同时载流子被扫出耗尽区。传导仅在此 tr 反向恢复时间后停止 已过期。肖特基二极管反向恢复时间更短。
无论开关速度如何，硅二极管的 0.7 V 正向压降都会导致低压电源效率低下。例如，在 10 V 电源中，这不是问题。在 1 V 电源中，0.7 V 压降是输出的主要部分。一种解决方案是使用具有较低正向压降的肖特基功率二极管。
隧道二极管
隧道二极管 利用一种叫做共振隧穿的奇怪量子现象 提供负电阻正向偏置特性。当在隧道二极管两端施加小的正向偏置电压时，它开始传导电流。 （下图（b））随着电压的增加，电流增加并达到一个峰值，称为峰值电流 (IP)。如果电压再增加一点，电流实际上开始减少 直到它达到称为谷流的低点 （四）。如果电压进一步增加，电流又开始增加，这次不会下降到另一个“谷”。隧道二极管示意图如下图(a)所示。
隧道二极管 (a) 示意图符号。 (b) 电流与电压图 (c) 振荡器。
将隧道二极管驱动到其峰值电流和谷值电流所需的正向电压分别称为峰值电压 (VP) 和谷值电压 (VV)。图中电流随着施加电压增加而减少的区域（水平刻度上的 VP 和 VV 之间）被称为负电阻 .
隧道二极管，也称为江崎二极管 为了纪念他们的日本发明家 Leo Esaki，能够非常快速地在峰值和谷值电流水平之间转换，在高和低传导状态之间“切换”甚至比肖特基二极管快得多。隧道二极管的特性也相对不受温度变化的影响。
反向击穿电压与掺杂水平。在 Sze [SGG]
之后隧道二极管的特性
隧道二极管在 P 区和 N 区都进行了重掺杂，是整流器的 1000 倍。这可以在上图中看到。标准二极管在最左边，齐纳二极管在左边，隧道二极管在虚线的右边。重掺杂产生异常薄的耗尽区。这会产生异常低的反向击穿电压和高泄漏。薄耗尽区导致高电容。为了克服这个问题，隧道二极管结面积必须很小。
正向二极管特性包括两个区域：正常正向二极管特性，电流呈指数上升超过 VF，Ge 为 0.3 V，Si 为 0.7 V。
在 0 V 和 VF 之间是一个额外的“负电阻”特征峰。这是由于涉及电子的双粒子波性质的量子力学隧道效应。与它们可以隧穿的电子的等效波长相比，耗尽区足够薄。它们不必克服正常的正向二极管电压 VF。 N型材料的导带能级与P型区的价带能级重叠。随着电压的增加，隧穿开始；层次重叠；电流增加，直到一个点。随着电流进一步增加，能级重叠更少；电流随着电压的增加而减小。这是曲线的“负电阻”部分。
隧道二极管的应用
隧道二极管不是好的整流器，因为它们在反向偏置时具有相对较高的“泄漏”电流。因此，它们只能在其独特的隧道效应有价值的特殊电路中找到应用。为了利用隧道效应，这些二极管保持在峰值电压和谷电压之间的偏置电压，始终处于正向偏置极性（阳极正极，阴极负极）。
也许隧道二极管最常见的应用是在简单的高频振荡器电路中，如上图 (c) 所示，它允许直流电压源为 LC“槽”电路提供功率，当电压升高时二极管导通它的两端达到峰值（隧道）电平，并在所有其他电压下有效绝缘。电阻器将隧道二极管偏置在以特性曲线的负电阻部分为中心的十分之几伏特处。 L-C谐振电路可以是用于微波操作的波导的一部分。可振荡至 5 GHz。
隧道二极管的历史
曾几何时，隧道二极管是唯一可用的固态微波放大器。隧道二极管从 1960 年代开始流行。它们比行波管放大器寿命更长，这是卫星发射器的一个重要考虑因素。隧道二极管也因为重掺杂而抗辐射。
今天，各种晶体管都在微波频率下工作。即使是小信号隧道二极管也很昂贵，今天很难找到。锗隧道二极管制造商仅剩一家，而硅器件制造商则没有一家。它们有时用于军事装备，因为它们对辐射和大的温度变化不敏感。
已经有一些研究涉及可能将硅隧道二极管集成到 CMOS 集成电路中。它们被认为能够在数字电路中以 100 GHz 的频率进行切换。锗器件的唯一制造商一次只生产一个。必须开发硅隧道二极管的批量工艺，然后与传统的 CMOS 工艺集成。 [SZL]
Esaki 隧道二极管不应与谐振隧道二极管混淆 CH 2，来自化合物半导体的更复杂结构。 RTD 是较新的开发成果，具有更高的速度。
发光二极管
辐射能发射原理
与所有半导体器件一样，二极管受量子物理学中描述的原理支配。这些原理之一是每当电子从较高能级下降到较低能级时发射特定频率的辐射能。
这与霓虹灯的工作原理相同，电离氖的特征性粉红色-橙色光是由于其电子在电流中的特定能量跃迁而产生的。霓虹灯发光的独特颜色是由于它的氖 管内的气体，而不是由于通过管的特定电流量或两个电极之间的电压。氖气会在很宽的电离电压和电流范围内发出粉红色的橙色光。当其电子在不同的量子化能级之间“跳跃”时，每种化学元素都有自己的辐射能“特征”发射。例如，氢气在电离时会发出红色光；汞蒸气发出蓝色光。这使得元素的光谱识别成为可能。
LED 的辐射能量发射
流过 PN 结的电子会经历类似的能级跃迁，并在此过程中发射辐射能。这种辐射能的频率由半导体材料的晶体结构和构成它的元素决定。一些由特殊化学组合组成的半导体结会随着电子的能级变化而在可见光光谱范围内发射辐射能。简单地说，这些路口发光 当前向偏置时。有意设计成像灯一样发光的二极管称为发光二极管 , 或 LED .
电致发光
当来自 N 型和 P 型区域的电子和空穴分别在结处重新结合时，正向偏置的硅二极管会放出热量。在正向偏置 LED 中，下图 (c) 中的有源区中的电子和空穴复合会产生光子。这个过程被称为电致发光 .为了发出光子，电子落下的势垒必须高于硅二极管。对于某些彩色 LED，正向二极管压降可以达到几伏。
由镓、砷和磷元素组合而成的二极管（称为镓-砷-磷 ) 发出明亮的红色，是制造的一些最常见的 LED。通过改变 PN 结的化学成分，可以获得不同的颜色。早期的 LED 是红色、绿色、黄色、橙色和红外线，后来的 LED 包括蓝色和紫外线，紫色是最新添加到选择中的颜色。通过将两个或多个原色（红色、绿色和蓝色）LED 组合在同一封装中，共享同一光学透镜，可以获得其他颜色。这允许使用多色 LED，例如使用红色和绿色（可以产生黄色）的三色 LED（在 1980 年代商用）以及后来的 RGB LED（红色、绿色和蓝色），它们覆盖了整个色谱。
LED 示意图
LED的示意图符号是一个圆形内的规则二极管形状，两个小箭头指向外（表示发射的光），如下图（a）所示。
LED，发光二极管：(a) 示意图符号。 (b) 器件的平面和短引线对应于阴极，以及阴极的内部排列。 (c) LED 芯片的横截面。
这种具有两个远离器件的小箭头的符号对于所有发光半导体器件的示意图符号都是通用的。相反，如果设备是光激活 （意味着入射光会刺激它），那么符号将有两个指向指向的小箭头 它。 LED 可以感应光线。当暴露在光线下时，它们会产生很小的电压，就像小规模的太阳能电池一样。该特性可以有效地应用于各种光敏电路中。
发光二极管操作
由于 LED 与硅二极管由不同的化学物质制成，因此它们的正向压降会有所不同。通常，LED 的正向压降比整流二极管大得多，从大约 1.6 伏到超过 3 伏，具体取决于颜色。标准尺寸 LED 的典型工作电流约为 20 mA。当使用大于 LED 正向电压的直流电压源操作 LED 时，必须包括一个串联的“降压”电阻器，以防止全电源电压损坏 LED。考虑下图 (a) 中使用 6 V 电源的示例电路。
将 LED 电流设置为 20 毫安。 (a) 6 V 电源，(b) 24 V 电源。
当 LED 电压下降 1.6 伏时，电阻器上的电压将下降 4.4 伏。根据欧姆定律 (R=E/I)，为 20mA 的 LED 电流确定电阻器的大小非常简单，只需取其压降（4.4 伏）并除以电路电流（20mA）即可。这给了我们 220 Ω 的数字。
计算这个 220 Ω 电阻的功耗，我们将其压降乘以其电流 (P=IE)，最终得到 88 mW，完全在 1/8 瓦电阻的额定值范围内。
更高的电池电压将需要更大值的降压电阻器，并且可能还需要更高的额定功率电阻器。考虑上面图 (b) 中的示例，电源电压为 24 伏：
在这里，降压电阻必须增加到 1.12 kΩ 以在 20 mA 时下降 22.4 伏，以便 LED 仍然只接收 1.6 伏。这也导致更高的电阻器功耗：448 mW，接近二分之一瓦的功率！显然，额定功率耗散为 1/8 瓦甚至 1/4 瓦的电阻器在这里使用时会过热。
LED 电路中的降压电阻
LED 电路的降压电阻值不需要精确。假设我们要在上面显示的电路中使用 1 kΩ 电阻器而不是 1.12 kΩ 电阻器。其结果是电路电流和 LED 电压降略大，导致 LED 发出的光更亮，使用寿命略有缩短。电阻太大的降压电阻器（例如，1.5 kΩ 而不是 1.12 kΩ）会导致电路电流变小、LED 电压变小并且光线变暗。 LED 对所施加功率的变化有很大的容忍度，因此您无需在降压电阻的大小上力求完美。
电路中的多个 LED
有时需要多个 LED，例如在照明中。如果 LED 并联运行，则每个 LED 都必须有自己的限流电阻，如下图 (a) 所示，以确保电流分配更均等。然而，使用单个降压电阻串联操作 LED 会更有效（下图 (b)）。随着串联 LED 数量的增加，串联电阻值必须减小以维持电流，达到一定程度。串联 LED 的数量(Vf) 不能超过电源的能力。可以采用多串串联，如下图 (c)。
尽管在多个 LED 中均衡了电流，但由于各个部件的差异，设备的亮度可能不匹配。关键应用可选择部件进行亮度匹配。
多个LED：(a)并联，(b)串联，(c)串并联
同样由于其独特的化学成分，LED 的峰值反向电压 (PIV) 额定值比普通整流二极管低得多。在反向偏置模式下，典型 LED 的额定电压可能仅为 5 伏。因此，当使用交流电给LED供电时，应在LED反并联一个保护整流二极管，以防止每隔半个周期反向击穿，如下图（a）所示。
用交流电驱动LED
上图（a）中的反并联二极管可以用反并联LED代替。由此产生的一对反平行 LED 在交流正弦波的交替半周期上发光。这种配置消耗 20 mA，在交替交流半周期的 LED 之间平均分配。由于这种共享，每个 LED 仅接收 10 mA 电流。带整流器的LED反并联组合也是如此。 LED 仅接收 10 ma。如果 LED(s) 需要 20 mA，则电阻值可以减半。
LED 的典型规格
LED 的正向压降与波长 (λ) 成反比。随着波长从红外线到可见光再到紫外线，Vf 增加。虽然这种趋势在同一制造商的各种设备中最为明显，但不同制造商生产的特定颜色 LED 的电压范围各不相同。该电压范围如下表所示。
LED 的光电特性
LED 与白炽灯泡
作为灯具，LED 在很多方面都优于白炽灯泡。
首先也是最重要的是效率：LED 每瓦特电输入输出的光功率远高于白炽灯。如果所讨论的电路是电池供电的，那么这是一个显着的优势，效率可以转化为更长的电池寿命。
其次，LED 更可靠，使用寿命比白炽灯长得多。这是因为 LED 是“冷”设备：它们的工作温度比带有白热金属灯丝的白炽灯低得多，容易因机械和热冲击而损坏。
第三是 LED 可以打开和关闭的高速。这一优势还归功于 LED 的“冷”操作：它们在从关闭到开启或反之的转换过程中不必克服热惯性。出于这个原因，LED 被用来以光脉冲的形式传输数字（开/关）信息，在空旷的空间中或通过光纤电缆以非常高的速度（每秒数百万个脉冲）进行传输。
LED 在交通信号灯和汽车尾灯等单色照明应用中表现出色。白炽灯在此应用中非常糟糕，因为它们需要过滤，从而降低效率。 LED 不需要过滤。
LED 的缺点
使用 LED 作为照明源的一个主要缺点是它们的单色（单色）发射。没有人愿意在红色、绿色或蓝色 LED 的灯光下阅读一本书。但是，如果组合使用，LED 颜色可能会混合以获得更广谱的发光。一种新的广谱光源是白光 LED。虽然小白面板指示灯已经问世多年，但照明级设备仍在开发中。
LED 和不同照明的效率和寿命
照明效率
白光 LED 是一种蓝光 LED，它激发荧光粉，发出黄光。蓝色加黄色近似于白光。磷光体的性质决定了光的特性。可以添加红色磷光体以牺牲效率来提高黄色和蓝色混合物的质量。上表将白色照明 LED 与预期的未来设备和其他传统灯进行了比较。效率以每瓦输入功率的光输出流明来衡量。如果将 50 流明/瓦的设备提高到 100 流明/瓦，那么白光 LED 的效率将与紧凑型荧光灯相媲美。
LED的历史
自 1960 年代以来，LED 一直是研发的主要主题。因此，涵盖几十年来创造的所有几何、化学和特性是不切实际的。早期的设备相对较暗，电流适中。效率在后代中得到了提高，以至于近距离和直接观察发光的 LED 是危险的。这会导致眼睛损伤，而 LED 只需要稍微增加压降 (Vf) 和电流。现代高强度设备使用 0.7 安培（82 流明/瓦，Luxeon Rebel 系列冷白）已达到 180 流明，甚至更高强度的型号可以使用更高的电流，亮度也相应增加。其他发展，例如量子点，是当前研究的主题，因此希望在未来看到这些设备的新事物
激光二极管
激光
激光二极管 是对普通发光二极管或 LED 的进一步发展。术语“激光”本身实际上是一个首字母缩写词，尽管它通常以小写字母书写。 “激光”代表 L 右 A S 放大 受刺激的E R 的使命 adiation，指的是另一种奇怪的量子过程，其中电子从材料中的高能态下降到低能态时发出的特征光刺激物质中的其他电子进行类似的“跳跃”，结果是光的同步输出从材料。这种同步扩展到实际的阶段 发出的光，因此从“激光”材料发出的所有光波不仅具有相同的频率（颜色），而且彼此具有相同的相位，因此它们彼此增强并且能够以非常不同的方式传播严格限制的非色散光束。这就是为什么激光在长距离上保持如此显着的聚焦：来自激光的每一个光波都彼此同步。
(a) 多种波长的白光。 (b) 单色 LED 灯，单一波长。 (c) 相位相干激光。
白炽灯产生“白色”（混频或混色）光，如上图 (a) 所示。普通 LED 产生单色光：相同的频率（颜色），但不同的相位，导致图 (b) 中类似的光束色散。激光 LED 产生相干光 ：同时具有单色（单色）和单相（单相）的光，从而产生如图 (c) 所示的精确光束限制。
激光在现代世界中得到了广泛的应用：从测量（其中直且不分散的光束对于精确瞄准测量标记非常有用）到光盘的读取和写入（只有聚焦激光的窄度）光束能够解析磁盘表面的微观“坑”，包括数字信息的二进制1和0。
一些激光二极管需要特殊的高功率“脉冲”电路，以在短时间内提供大量电压和电流。其他激光二极管可以在较低功率下连续工作。在连续激光中，激光作用仅在二极管电流的一定范围内发生，因此需要某种形式的电流调节器电路。随着激光二极管的老化，它们的功率要求可能会发生变化（输出功率越小所需的电流越大），但应该记住，低功率激光二极管，如 LED，是相当长寿命的器件，典型的使用寿命为几十年数千小时。
光电二极管
光电二极管 是一种经过优化的二极管，可响应紫外光、可见光或红外光的照射而产生电子电流。硅最常用于制造光电二极管。但是，可以使用锗和砷化镓。光进入半导体的结必须足够薄，以将大部分光传递到有源区（耗尽区），在那里光被转换为电子空穴对。
在下图中，进入 N 型晶片的浅 P 型扩散在晶片表面附近产生 PN 结。 P 型层需要很薄才能通过尽可能多的光。晶片背面的大量 N+ 扩散与金属化接触。对于大电池，顶部金属化可能是位于晶片顶部的精细金属指栅。在小型光电二极管中，顶部接触可能是与裸露的 P 型硅顶部接触的唯一键合线。
光电二极管：示意图符号和横截面。
光电二极管的工作原理？
进入光电二极管堆栈顶部的光强度作为深度的函数呈指数下降。薄的顶部 P 型层允许大多数光子进入形成电子-空穴对的耗尽区。由于内置二极管电位，耗尽区的电场导致电子扫入 N 层，空穴扫入 P 层。
实际上，可以在任何半导体区域中形成电子-空穴对。然而，在耗尽区中形成的那些最有可能被分离成相应的 N 区和 P 区。在 P 区和 N 区形成的许多电子-空穴对重新结合。只有少数在耗尽区这样做。因此，N 区和 P 区中的少数电子-空穴对，以及耗尽区中的大部分电子 - 空穴对有助于光电流 , 光落在光电二极管上产生的电流。
光电二极管操作
可以观察到光电二极管输出的电压。在这个光伏中运行 (PV) 模式在大动态范围内不是线性的，但它很灵敏，并且在频率低于 100 kHz 时具有低噪声。首选的操作模式通常是光电流 (PC) 模式，因为电流与几十年强度的光通量成线性比例，并且可以实现更高的频率响应。 PC 模式是通过光电二极管上的反向偏置或零偏置实现的。电流放大器（跨阻放大器）应与 PC 模式下的光电二极管一起使用。只要二极管不正向偏置，就可以实现线性和 PC 模式。
与太阳能电池相反，光电二极管通常需要高速运行。速度是二极管电容的函数，可以通过减小单元面积来最小化。因此，用于高速光纤链路的传感器将使用不超过必要的面积，例如 1 mm2。也可以通过在制造过程中增加耗尽区的厚度或通过增加二极管的反向偏置来降低电容。
不同种类的PIN二极管
PIN二极管 p-i-n 二极管 或 PIN 二极管 是一个光电二极管，在 P 区和 N 区之间有一个本征层，如下图所示。 P -我 本征-N 结构增加了 P 和 N 导电层之间的距离，降低了电容，提高了速度。光敏区的体积也增加了，从而提高了转换效率。带宽可以扩展到 10 GHz。 PIN 光电二极管是首选，具有高灵敏度、高速度且成本适中的特点。
PIN光电二极管：本征区增加了耗尽区的厚度。
雪崩光电二极管： 雪崩光电二极管 (APD) 设计用于在高反向偏压下工作，表现出类似于光电倍增管的电子倍增器效应。反向偏压可以从 10 伏到接近 2000 伏。 高水平的反向偏压将光子在本征区中产生的电子-空穴对加速到足够高的速度，以释放额外的载流子与晶格碰撞。因此，每个光子产生许多电子。 APD 的动机是在光电二极管内实现放大，以克服外部放大器中的噪声。这在某种程度上有效。但是，APD 会产生自己的噪音。在高速情况下，APD 优于 PIN 二极管放大器组合，但不适用于低速应用。 APD 很贵，大约相当于一个光电倍增管的价格。因此，它们仅在利基应用中与 PIN 光电二极管竞争。其中一种应用是应用于核物理的单光子计数。
太阳能电池
太阳能电池 .它在光伏模式 (PV) 下运行，因为它被负载电阻上产生的电压正向偏置。
单晶太阳能电池
单晶太阳能电池的制造工艺类似于半导体工艺。这涉及从熔融的高纯度硅（P 型）中生长单晶晶锭，但纯度不如半导体高。晶锭被金刚石锯或线锯成晶片。晶锭的末端必须丢弃或回收，硅会在锯缝中丢失。由于现代电池几乎是方形的，因此在将晶锭平方时会损失硅。细胞可以被蚀刻以纹理化（粗糙化）表面以帮助在细胞内捕获光。生产 10 或 15 厘米见方的晶片会损失大量硅。现在（2007 年），太阳能电池制造商在这个阶段从供应商处向半导体行业采购晶圆是很常见的。
太阳能电池组件
P 型晶圆背靠背装入熔融石英舟中，仅将外表面暴露在扩散炉中的 N 型掺杂剂中。扩散过程在电池顶部形成薄的 n 型层。扩散还会使电池的边缘前后短路。必须通过等离子蚀刻去除外围以消除电池短路。电池背面有银浆和/或铝浆，正面有银格子。它们在熔炉中烧结以实现良好的电接触。 （下图）
电池与金属带串联。为了给 12 V 电池充电，大约 0.5 V 的 36 节电池真空层压在玻璃和聚合物金属背之间。玻璃可能具有纹理表面以帮助捕获光线。
硅太阳能电池
终极商用高效 (21.5%) 单晶硅太阳能电池的所有触点都位于电池背面。 The active area of the cell is increased by moving the top (-) contact conductors to the back of the cell. The top (-) contacts are normally made to the N-type silicon on top of the cell. In Figure below the (-) contacts are made to N + diffusions on the bottom interleaved with (+) contacts. The top surface is textured to aid in trapping light within the cell.. [VSW]
High efficiency solar cell with all contacts on the back. Adapted from Figure 1 [VSW]
Different kinds of Solar Cells
Multi-crystalline silicon cells start out as molten silicon cast into a rectangular mold. As the silicon cools, it crystallizes into a few large (mm to cm sized) randomly oriented crystals instead of a single one. The remainder of the process is the same as for single crystal cells. The finished cells show lines dividing the individual crystals, as if the cells were cracked. The high efficiency is not quite as high as single crystal cells due to losses at crystal grain boundaries. The cell surface cannot be roughened by etching due to the random orientation of the crystals. However, an anti-reflective coating improves efficiency. These cells are competitive for all but space applications.
Three layer cell :The highest efficiency solar cell is a stack of three cells tuned to absorb different portions of the solar spectrum. Though three cells can be stacked atop one another, a monolithic single crystal structure of 20 semiconductor layers is more compact. At 32 % efficiency, it is now (2007) favored over silicon for space application. The high cost prevents it from finding many earth bound applications other than concentrators based on lenses or mirrors.
Intensive research has recently produced a version enhanced for terrestrial concentrators at 400 - 1000 suns and 40.7% efficiency. This requires either a big inexpensive Fresnel lens or reflector and a small area of the expensive semiconductor. This combination is thought to be competitive with inexpensive silicon cells for solar power plants. [RRK] [LZy]
Creation of Three Layer Solar Cells
Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) deposits the layers atop a P-type germanium substrate. The top layers of N and P-type gallium indium phosphide (GaInP) having a band gap of 1.85 eV, absorbs ultraviolet and visible light. These wavelengths have enough energy to exceed the band gap.
Longer wavelengths (lower energy) do not have enough energy to create electron-hole pairs, and pass on through to the next layer. A gallium arsenide layers having a band gap of 1.42 eV, absorbs near infrared light.
Finally the germanium layer and substrate absorb far infrared. The series of three cells produce a voltage which is the sum of the voltages of the three cells. The voltage developed by each material is 0.4 V less than the band gap energy listed in the table below. For example, for GaInP:1.8 eV/e - 0.4 V =1.4 V. For all three the voltage is 1.4 V + 1.0 V + 0.3 V =2.7 V. [BRB]
High efficiency triple layer solar cell.
Crystalline solar cell arrays have a long usable life. Many arrays are guaranteed for 25 years, and believed to be good for 40 years. They do not suffer initial degradation compared with amorphous silicon.
Both single and multicrystalline solar cells are based on silicon wafers. The silicon is both the substrate and the active device layers. Much silicon is consumed. This kind of cell has been around for decades, and takes approximately 86% of the solar electric market. For further information about crystalline solar cells see Honsberg. [CHS]
Amorphous silicon thin film solar cells use tiny amounts of the active raw material, silicon. Approximately half the cost of conventional crystalline solar cells is the solar cell grade silicon. The thin film deposition process reduces this cost.
The downside is that efficiency is about half that of conventional crystalline cells. Moreover, efficiency degrades by 15-35% upon exposure to sunlight. A 7% efficient cell soon ages to 5% efficiency. Thin film amorphous silicon cells work better than crystalline cells in dim light. They are put to good use in solar powered calculators.
Non-silicon based solar cells make up about 7% of the market. These are thin-film polycrystalline products. Various compound semiconductors are the subject of research and development. Some non-silicon products are in production. Generally, the efficiency is better than amorphous silicon, but not nearly as good as crystalline silicon.
Cadmium telluride as a polycrystalline thin film on metal or glass can have a higher efficiency than amorphous silicon thin films. If deposited on metal, that layer is the negative contact to the cadmium telluride thin film. The transparent P-type cadmium sulfide atop the cadmium telluride serves as a buffer layer. The positive top contact is transparent, electrically conductive fluorine doped tin oxide. These layers may be laid down on a sacrificial foil in place of the glass in the process in the following pargraph. The sacrificial foil is removed after the cell is mounted to a permanent substrate.
Cadmium telluride solar cell on glass or metal.
Creating Cadmium telluride Solar Cell
A process for depositing cadmium telluride on glass begins with the deposition of N-type transparent, electrically conducive, tin oxide on a glass substrate. The next layer is P-type cadmium telluride; though, N-type or intrinsic may be used. These two layers constitute the NP junction. A P + (heavy P-type) layer of lead telluride aids in establishing a low resistance contact. A metal layer makes the final contact to the lead telluride. These layers may be laid down by vacuum deposition, chemical vapor deposition (CVD), screen printing, electrodeposition, or atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) in helium. [KWM]
A variation of cadmium telluride is mercury cadmium telluride. Having lower bulk resistance and lower contact resistance improves efficiency over cadmium telluride.
Cadmium Indium Gallium diSelenide solar cell (CIGS)
Cadmium Indium Gallium diSelenide:A most promising thin film solar cell at this time (2007) is manufactured on a ten inch wide roll of flexible polyimide– Cadmium Indium Gallium diSelenide (CIGS). It has a spectacular efficiency of 10%. Though, commercial grade crystalline silicon cells surpassed this decades ago, CIGS should be cost competitive. The deposition processes are at a low enough temperature to use a polyimide polymer as a substrate instead of metal or glass. (Figure above) The CIGS is manufactured in a roll to roll process, which should drive down costs. GIGS cells may also be produced by an inherently low cost electrochemical process. [EET]
REVIEW:
- Most solar cells are silicon single crystal or multicrystal because of their good efficiency and moderate cost.
- Less efficient thin films of various amorphous or polycrystalline materials comprise the rest of the market.
- Table below compares selected solar cells.
Solar cell properties
相关工作表：
- Design Project:Telegraph System Worksheet
- Optoelectronic Worksheet
- Sources of Electricity Worksheet
- Special Diodes Worksheet
工业技术