Energia dalla Luce IV. I semiconduttori Il diodo La cella solare Misure elettriche Misure su celle solari

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1 Energia dalla Luce IV I semiconduttori Il diodo La cella solare Misure elettriche Misure su celle solari

2 Cella Solare spettro elettromagnetico

3 I SEMICONDUTTORI 1782 A. Volta introduce la parola semiconduttori 1833 M. Faraday nota che la conducibilità (σ) di alcuni materiali aumenta con T 1874 F. Braun primi diodi a cristallo 1897 J.J. Thomson scopre l elettrone 1901 V. E. Riecke scopre che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al moto degli elettroni postula che la resistività (ρ) dei semiconduttori dipende da T 1903 J. Koenigsberg 1931 A. Wilson 1931 W. Heisenberg 1931 W. Pauli scrive propone una teoria a bande dei solidi e il concetto di impurezze donori ed accettori. concetto di lacuna come quasi-particella di carica positiva che descrive gli stati vuoti in una banda altrimenti piena. "uno non deve lavorare sui semiconduttori, sono un pasticcio, chi sa se addirittura esistono i semiconduttori 1936 Bell Telephone Laboratories programma di ricerca per sostituire i commutatori elettromeccanici con quelli a stato solido II guerra mondiale: gran parte delle ricerche si spostano su problemi connessi con l industria bellica

4 I SEMICONDUTTORI Shockley: dispositivo amplificatore basato su semiconduttore primo fotodiodo basato su di una giunzione p/n in silicio Riparte il progetto sui semiconduttori dei laboratori Bell Invenzione del Transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley ) prima radio a transistor Shockley propone il transistor bipolare a giunzione Western Electric : primi transistor commerciali (amplificatori per auricolari per sordi) Texas Instrument produce la prima radio basata su transistor...è un disastro commerciale perchè troppo costosa. Bardeen, Brattain e Shockley ricevono il premio Nobel per la scoperta del Transistor Il primo transistor ed uno di oggi

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6 PROPRIETA FISICHE DELLA MATERIA bande di energia Nella formazione dei solidi, gli orbitali atomici si fondono a formare orbitali cristallini, estesi a tutto lo spazio occupato dal solido. Gli elettroni di valenza nei solidi, dunque, non sono più legati ai singoli atomi, ma sono delocalizzati.

7 PROPRIETA FISICHE DELLA MATERIA bande di energia Larghezza banda : qualche ev A questi elettroni non corrispondono più singoli livelli discreti di energia, ma moltissimi livelli con valori vicinissimi l uno all altro, ossia distribuiti in modo quasi continuo in un certo intervallo dell energia. A questa distribuzione si dà il nome di banda di energia. Le varie bande possono essere separate da intervalli di energia proibiti, che non possono essere occupati da alcun elettrone.

8 elettroni e lacune La configurazione elettronica di un solido a temperature diverse dallo zero assoluto è in generale diversa da quella corrispondente allo stato fondamentale. Nei semiconduttori ad esempio, per effetto della temperatura può accadere che la banda di valenza non sia completamente occupata. A livello pittorico possiamo immaginare che in un livello non occupato della banda di valenza sia presente una particella immaginaria, detta buca o lacuna. Una delle conseguenze inaspettate della teoria delle bande è che questa particella si comporta come se avesse carica elettrica positiva: sotto l azione di un campo elettrico esterno accelera nello stesso verso del campo elettrico applicato.

9 Proprietà dei semiconduttori: conducibilità σ Passando da un materiale ad un altro, σ può variare di molti ordini di grandezza: superconduttori: σ infinita, per T < Tc metalli: σ (Ω.cm) -1 semiconduttori: σ (Ω.cm) -1 (a T ambiente) isolanti: σ (Ω.cm) 1 L enorme variazione di σ dipende dalla configurazione elettronica dello stato fondamentale del cristallo. σσnei neisemiconduttori semiconduttoridipende dipendefortemente fortementedalla dallatemperatura temperaturaeedal dalcontenuto contenutodi diimpurezze. impurezze.

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12 Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donori e accettori) Donore è un impurezza che cede facilmente ( dona ) uno dei suoi elettroni di valenza alla banda di conduzione del semiconduttore. Un donore tipico è il fosforo (pentavalente). Il livello di energia dell elettrone del P è all'interno del gap, poco al di sotto della banda di conduzione. Il semiconduttore è detto "di tipo n ", perché i portatori sono gli elettroni, di carica negativa.

13 Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donori e accettori) Un analogo discorso vale se invece dei donori sono presenti impurezze accettori, come ad esempio il boro che è trivalente. I tre elettroni di valenza del boro sono legati in modo covalente a tre atomi di silicio adiacenti, lasciando vacante il legame con il quarto atomo. Questo equivale a dire che una lacuna sta intorno al boro. Allora i portatori maggioritari sono le lacune e il semiconduttore è detto "di tipo p ", perché le lacune si comportano come particelle di carica positiva.

14 Giunzione p-n. Un semic. omogeneo ad una data T si comporta come una normale resistenza, sia esso intrinseco o drogato. Le applicazioni pratiche dei semic. in generale si basano su monocristalli nei quali è stata artificialmente creata una variazione nel drogaggio più o meno brusca: una giunzione p - n Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione.

15 Giunzione p-n. Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione. zona di svuotamento o depletion layer diffusione

16 Polarizzazione della giunzione (I) Quando alla giunzione è applicata una tensione esterna V, l equilibrio viene alterato e attraverso la giunzione si stabilisce un flusso di portatori di carica la cui intensità dipende fortemente dal segno della tensione applicata. Dato il carattere asimmetrico della giunzione p-n sono infatti possibili due configurazioni distinte: diretta Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in diretta la parte p viene posta a potenziale maggiore convenzionalmente V > 0 la barriera è ora inferiore rispetto al caso di equilibrio e l intensità della corrente cresce rapidamente all aumentare del campo applicato

17 Polarizzazione della giunzione (II) la tensione esterna aumenta il potenziale elettrico della parte n convenzionalmente V < 0 il flusso dei portatori scende praticamente a zero ed è pressoché indipendente dal valore del potenziale applicato inversa Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in inversa

18 Applicazioni della giunzione Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone neutre p ed n è detto diodo a giunzione p - n. transistor dispositivi optoelettronici (emissione e rivelazione della radiazione) celle solari dispositivi a microonde Fotodiodi al Si per l UV e un diodo laser struttura del LED Struttura di una cella solare a giunzione struttura di un diodo laser a giunzione

19 Cella Solare a giunzione

20 Cella Solare a giunzione: risposta alla luce

21 Cella Solare a giunzione: misura della potenza fornita Voltage (V) Current (A) Power (W) Resistance (Ohms) Open Circuit Short Circuit

22 Cella Solare a giunzione: misura della potenza fornita Voltage (V) Current (A) Power (W) Open Circuit Resistance (Ohms) Short Circuit

23 Cella Solare a giunzione: conversione in potenza in lavoro meccanico

24 Definizioni relative alla luce Flusso luminoso: Unità di misura: Lumen [lm]. Per flusso luminoso si intende l intera potenza irradiata dalla sorgente di luce che viene valutata con la sensibilità spettrale dell occhio. L intensità luminosa è il valore misurato del flusso luminoso emesso all interno dell angolo solido.

25 Definizioni relative alla luce Intensità luminosa: Unità di misura: Candela [cd]. Una sorgente luminosa irradia il suo flusso luminoso generalmente in diverse direzioni con diversa intensità. L intensità della luce irradiata in una determinata direzione viene definita intensità luminosa.

26 Definizioni relative alla luce Illuminamento E: Unità di misura: Lux [lx]. L illuminamento E è dato dal rapporto tra il flusso luminoso irradiato e la superficie illuminata. L illuminamento prodotto da un flusso luminoso di 1 lm che cade in modo uniforme su una superficie di 1m 2 è pari a 1 lx.

27 Definizioni relative alla luce Efficienza luminosa: Unità di misura: Lumen per Watt [lm/w]. L efficienza luminosa indica il grado di economicità con il quale la potenza elettrica assorbita viene trasformata in luce. Rispetto al massimo teorico (683 lumen/watt) le varie sorgenti di luce hanno un'efficienza minore. Ad esempio: Sorgente lm/w effic% Lampada incandescenza da 100W 13,8 2% Lampada alogena da 100 W 16,6 2,4% Lampada fluorescente 9-26W % Tubo fluorescente T % LED bianco ,5-28%.

28 Definizioni relative alla luce Temperatura di colore: Unità di misura: Kelvin [K]. La temperatura di colore di una sorgente luminosa viene definita in rapporto al cosiddetto corpo nero e viene rappresentata con la curva di Plank. Se la temperatura del radiatore nero aumenta, nello spettro aumenta la parte blu mentre diminuisce quella rossa. Una lampada ad incandescenza con luce bianca calda ha, ad esempio, una temperatura di colore di 2700 K, mentre una lampada fluorescente con luce simile a quella naturale in pieno giorno ha una temperatura di colore di 6000 K.

29 Definizioni relative alla luce [cd] Candela: La candela è l'unità di misura,in una una certa direzione, di una sorgente che emette la radiazione monocromatica di frequenza 540 x 1012 Hz (colore verde) con intensità radiante in quella direzione pari a Φ = 1/683 W/sr. Lo stearadiante (sr) è definito come l'angolo solido che sottende un'area sulla superficie di una sfera uguale al quadrato del raggio della sfera stessa.

30 Definizioni relative alla luce [lm] Lumen: Il lumen è il flusso luminoso emesso nell'angolo solido unitario da una sorgente puntiforme posta al centro di una sfera di raggio unitario di intensità luminosa pari ad 1 cd. Lux: Il lux è pari al flusso luminoso per unità di superficie e corrisponde ad un lumen su metro quadrato.

31 Esperienza di laboratorio Usiamo una sorgente elettrica di luce e ne misuriamo l'emissione Illuminiamo una cella solare e ne misuriamo le caratteristiche elettriche Usiamo l'energia elettrica generata per azionare un motore e produrre un lavoro meccanico

32 Cosa useremo Sorgente di luce di tipo alogeno

33 Cosa useremo Misuratore di luce

34 Cosa useremo Righello e carta millimetrata