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

Presentazione sul tema: "Energia dalla Luce IV I semiconduttori Il diodo La cella solare Misure elettriche Misure su celle solari."— Transcript della presentazione:

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 1903 J. Koenigsberg postula che la resistività (ρ) dei semiconduttori dipende da T 1931 A. Wilson propone una teoria a bande dei solidi e il concetto di impurezze donori ed accettori. 1931 W. Heisenberg concetto di lacuna come quasi-particella di carica positiva che descrive gli stati vuoti in una banda altrimenti piena. 1931 W. Pauli scrive "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. 1939 - 1945 II guerra mondiale: gran parte delle ricerche si spostano su problemi connessi con l’industria bellica…

4 I SEMICONDUTTORI1939 Shockley: dispositivo amplificatore basato su semiconduttore 1940 primo fotodiodo basato su di una giunzione p/n in silicio 1945 Riparte il progetto sui semiconduttori dei laboratori Bell 1947Invenzione del Transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley ) 1948 prima radio a transistor 1949 Shockley propone il transistor bipolare a giunzione 1951 1951 Western Electric : primi transistor commerciali (amplificatori per auricolari per sordi) 1954 Texas Instrument produce la prima radio basata su transistor....è un disastro commerciale perchè troppo costosa. 1956 Bardeen, Brattain e Shockley ricevono il premio Nobel per la scoperta del Transistor. Il primo transistor … … ed uno di oggi

5

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 Passando da un materiale ad un altro,  può variare di molti ordini di grandezza: superconduttori:  infinita, per T < Tc metalli:   10 6  10 4 ( .cm) -1 semiconduttori:   10 3  10 -6 ( .cm) -1 (a T ambiente) isolanti:   10 -10  10 -20 ( .cm) –1 L’enorme variazione di  dipende dalla configurazione elettronica dello stato fondamentale del cristallo. Proprietà dei semiconduttori: conducibilità   nei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura e dal contenuto di impurezze.

10

11

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. zona di svuotamento o “depletion layer” diffusione Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione.

16 Polarizzazione della giunzione (I) Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in diretta 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 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 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 Polarizzazione della giunzione (II)

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. Fotodiodi al Si per l’UV e un diodo laser Struttura di una cella solare a giunzione struttura del LED struttura di un diodo laser a giunzione transistor dispositivi optoelettronici (emissione e rivelazione della radiazione) celle solari dispositivi a microonde

19 Cella Solare a giunzione

20 Cella Solare a giunzione: risposta alla luce

21 Cella Solare a giunzione: misura della potenza fornita Resistance (Ohms) Voltage (V)Current (A)Power (W) Open Circuit30.90.00 10028.80.298.30 5027.00.5414.58 2522.50.9020.25 33.11.033.20 Short Circuit 01.100.00

22 Cella Solare a giunzione: misura della potenza fornita Resistance (Ohms) Voltage (V)Current (A)Power (W) Open Circuit30.90.00 10028.80.298.30 5027.00.5414.58 2522.50.9020.25 33.11.033.20 Short Circuit 01.100.00

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 57-72 8-11% Tubo fluorescente T5 70-100 10-15% LED bianco 10-189 1,5-28%.

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 10 12 Hz (colore verde) con intensità radiante in quella direzione pari a  = 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

35 Cosa useremo Basetta per montaggi

36 Cosa useremo Resistori

37 Cosa useremo Multimetro per misure di tensione e corrente

38 Cosa useremo e la vostra testa