専用ダイオード
ショットキーダイオード
S ショットキーダイオード 金属で構成されています P-N半導体接合ではなく-to-N接合。 ホットキャリアとも呼ばれます ダイオード、ショットキーダイオードは、高速スイッチング時間（短い逆回復時間）、低い順方向電圧降下（通常、金属-シリコン接合の場合は0.25〜0.4ボルト）、および低い接合容量を特徴としています。
ショットキーダイオードの回路図記号を次の図に示します。
ショットキーダイオードの回路図記号。
ショットキーダイオードの長所と短所
ショットキーダイオードの順方向電圧降下（VF）、逆方向回復時間（trr）、および接合容量（CJ）は、平均的な「整流」ダイオードよりも理想に近い値です。これにより、高周波アプリケーションに最適です。ただし、残念ながら、ショットキーダイオードは通常、整流ダイオードよりも順方向電流（IF）および逆方向電圧（VRRMおよびVDC）の定格が低いため、大量の電力を必要とするアプリケーションには適していません。低電圧スイッチングレギュレータ電源に使用されていますが。
ショットキーダイオードのアプリケーション
ショットキーダイオード技術は、高速スイッチング時間は高速機能に相当し、順方向電圧降下が小さいと導通時の消費電力が少ない高速コンピュータ回路に幅広い用途があります。
数百kHzで動作するスイッチングレギュレータ電源は、スイッチング速度が遅いため、従来のシリコンダイオードを整流器として使用できません。ダイオードに印加される信号が順方向バイアスから逆方向バイアスに変化すると、キャリアが空乏領域から掃引されている間、導通が短時間継続します。伝導は、このtr 逆回復時間の後にのみ停止します。 期限切れです。ショットキーダイオードの逆回復時間は短くなります。
スイッチング速度に関係なく、シリコンダイオードの0.7 Vの順方向電圧降下により、低電圧電源の効率が低下します。これは、たとえば10V電源では問題になりません。 1 V電源では、0.7Vの電圧降下が出力のかなりの部分を占めます。 1つの解決策は、順方向降下が小さいショットキーパワーダイオードを使用することです。
トンネルダイオード
トンネルダイオード 共鳴トンネルと呼ばれる奇妙な量子現象を利用する 負性抵抗の順方向バイアス特性を提供します。トンネルダイオードに小さな順バイアス電圧が印加されると、電流が流れ始めます。 （下の図（b））電圧が増加すると、電流が増加し、ピーク電流と呼ばれるピーク値に達します。 （IP）。電圧がもう少し上がると、電流は実際に減少し始めます バレーカレントと呼ばれる最低点に達するまで （IV）。電圧がさらに上昇すると、電流は再び増加し始めますが、今回は別の「谷」に減少することはありません。下の図（a）に示すトンネルダイオードの回路図記号。
トンネルダイオード（a）回路図記号。 （b）電流対電圧のプロット（c）発振器。
トンネルダイオードをピーク電流とバレー電流に駆動するために必要な順方向電圧は、それぞれピーク電圧（VP）とバレー電圧（VV）として知られています。印加電圧が増加している間に電流が減少しているグラフ上の領域（水平スケールのVPとVVの間）は、負性抵抗の領域として知られています。 。
Esakiダイオードとも呼ばれるトンネルダイオード 日本の発明者である江崎玲栄奈に敬意を表して、ピーク電流レベルとバレー電流レベルを非常に迅速に移行し、ショットキーダイオードよりもはるかに高速に高伝導状態と低伝導状態を「切り替える」ことができます。トンネルダイオードの特性も、温度変化の影響を比較的受けません。
逆方向降伏電圧対ドーピングレベル。 Szeの後[SGG]
トンネルダイオードの特性
トンネルダイオードは、P領域とN領域の両方で高濃度にドープされており、整流器のレベルの1000倍です。これは上の図で見ることができます。標準ダイオードは左端にあり、ツェナーダイオードは左にあり、トンネルダイオードは破線の右側にあります。高濃度ドーピングは、異常に薄い空乏領域を生成します。これにより、非常に低い逆ブレークダウン電圧と高いリークが発生します。薄い空乏領域は高い静電容量を引き起こします。これを克服するには、トンネルダイオードの接合面積を小さくする必要があります。
順方向ダイオード特性は、2つの領域で構成されます。電流がVFを超えて指数関数的に上昇する通常の順方向ダイオード特性、Geの場合は0.3 V、Siの場合は0.7Vです。
0 VとVFの間には、追加の「負性抵抗」特性ピークがあります。これは、電子の二重粒子波動の性質を含む量子力学的トンネリングによるものです。空乏領域は、電子がトンネリングできる等価波長と比較して十分に薄いです。それらは通常の順方向ダイオード電圧VFを克服する必要はありません。 N型材料の伝導帯のエネルギー準位は、P型領域の価電子帯のレベルと重なっています。電圧が上がると、トンネリングが始まります。レベルが重なっています。電流は、あるポイントまで増加します。電流がさらに増加すると、エネルギーレベルの重なりが少なくなります。電流は電圧の増加とともに減少します。これは、曲線の「負性抵抗」部分です。
トンネルダイオードの用途
トンネルダイオードは、逆バイアス時に比較的高い「リーク」電流が流れるため、適切な整流器ではありません。その結果、彼らは彼らのユニークなトンネル効果が価値を持っている特別な回路でのみアプリケーションを見つけます。トンネル効果を利用するために、これらのダイオードは、常に順方向にバイアスされた極性（アノードが正、カソードが負）で、ピーク電圧レベルとバレー電圧レベルの間のどこかのバイアス電圧に維持されます。
おそらく、トンネルダイオードの最も一般的な用途は、上の図（c）のような単純な高周波発振回路であり、DC電圧源がLC「タンク」回路に電力を供給できるようにします。それを横切ってピーク（トンネル）レベルに達し、他のすべての電圧で効果的に絶縁します。抵抗は、特性曲線の負性抵抗部分を中心に、トンネルダイオードを10分の数ボルトでバイアスします。 L-C共振回路は、マイクロ波動作用の導波管の一部である場合があります。 5GHzまでの発振が可能です。
トンネルダイオードの歴史
かつて、トンネルダイオードは利用可能な唯一のソリッドステートマイクロ波増幅器でした。トンネルダイオードは1960年代から人気がありました。それらは、衛星送信機で重要な考慮事項である進行波管増幅器よりも長寿命でした。トンネルダイオードは、高濃度のドーピングのため、放射線にも耐性があります。
今日、さまざまなトランジスタがマイクロ波周波数で動作します。小信号トンネルダイオードでさえ、高価であり、今日見つけるのは困難です。ゲルマニウムトンネルダイオードのメーカーは1社残っており、シリコンデバイスのメーカーはありません。放射や大きな温度変化に鈍感であるため、軍装備品に使用されることがあります。
シリコントンネルダイオードをCMOS集積回路に統合する可能性に関するいくつかの研究があります。それらは、デジタル回路で100GHzでスイッチングできると考えられています。ゲルマニウムデバイスの唯一のメーカーは、一度に1つずつ製造しています。シリコントンネルダイオードのバッチプロセスを開発してから、従来のCMOSプロセスと統合する必要があります。 [SZL]
Esakiトンネルダイオードを共鳴トンネルダイオードと混同しないでください。 化合物半導体からのより複雑な構造のCH2。 RTDは、より高速化が可能な最近の開発です。
発光ダイオード
放射エネルギー放出の原理
ダイオードは、すべての半導体デバイスと同様に、量子物理学で説明されている原理によって制御されます。これらの原理の1つは、電子がより高いエネルギーレベルからより低いエネルギーレベルに落ちるときはいつでも、特定の周波数の放射エネルギーを放出することです。
これは、電流の中での電子の比エネルギー遷移によるイオン化ネオンの特徴的なピンクオレンジ色の輝きであるネオンランプで機能しているのと同じ原理です。ネオンランプの輝きの独特の色は、そのネオンという事実によるものです。 チューブ内のガスであり、チューブを流れる特定の量の電流や2つの電極間の電圧によるものではありません。ネオンガスは、広範囲の電離電圧および電流にわたってピンクがかったオレンジ色に光ります。各化学元素は、その電子が異なる量子化されたエネルギーレベル間で「ジャンプ」するときに、放射エネルギーの独自の「シグネチャ」放出を持ちます。たとえば、水素ガスはイオン化すると赤く光ります。水銀灯は青く光ります。これにより、元素の分光学的識別が可能になります。
LEDの放射エネルギー放出
PN接合を流れる電子は、同様のエネルギー準位の遷移を経験し、放射エネルギーを放出します。この放射エネルギーの周波数は、半導体材料の結晶構造とそれを構成する元素によって決まります。特殊な化学物質の組み合わせで構成される一部の半導体接合は、電子がエネルギーレベルを変化させるときに、可視光のスペクトル内で放射エネルギーを放出します。簡単に言えば、これらのジャンクションは光る 順方向にバイアスされたとき。ランプのように意図的に光るように設計されたダイオードは、発光ダイオードと呼ばれます。 、または LED 。
エレクトロルミネッセンス
順方向にバイアスされたシリコンダイオードは、N型領域とP型領域からの電子と正孔がそれぞれ接合部で再結合するときに熱を放出します。順方向にバイアスされたLEDでは、下の図（c）のアクティブ領域で電子と正孔が再結合して光子が生成されます。このプロセスはエレクトロルミネッセンスとして知られています 。光子を放出するには、電子が落下するポテンシャル障壁がシリコンダイオードよりも高くなければなりません。一部のカラーLEDの場合、順方向ダイオードの電圧降下は数ボルトに及ぶ可能性があります。
ガリウム、ヒ素、リンの元素の組み合わせから作られたダイオード（ガリウム-ヒ素-リンと呼ばれます） ）明るい赤に光り、製造される最も一般的なLEDの一部です。 PN接合の化学的構成要素を変更することにより、異なる色を得ることができます。初期の世代のLEDは赤、緑、黄色、オレンジ、赤外線でしたが、後の世代には青と紫外線が含まれ、紫が選択に追加された最新の色でした。他の色は、2つ以上の原色（赤、緑、青）のLEDを同じパッケージにまとめ、同じ光学レンズを共有することで得られます。これにより、赤と緑（黄色を生成できる）を使用する3色LED（1980年代に市販）や、カラースペクトル全体をカバーする後のRGB LED（赤、緑、青）などの多色LEDが可能になりました。
>LEDの回路図記号
LEDの回路図記号は、下の図（a）に示すように、円の内側にある通常のダイオードの形状で、2つの小さな矢印が離れています（放出された光を示しています）。
LED、発光ダイオード：（a）回路図記号。 （b）デバイスのフラットサイドとショートリードは、カソード、およびカソードの内部配置に対応します。 （c）LEDダイの断面。
デバイスから離れる方向を指す2つの小さな矢印があるというこの表記は、すべての発光半導体デバイスの概略記号に共通しています。逆に、デバイスが軽い場合-アクティブ化 （入ってくる光がそれを刺激することを意味します）、シンボルには方向を指す2つの小さな矢印があります それ。 LEDは光を感知できます。それらは、小規模の太陽電池のように、光にさらされると小さな電圧を生成します。この特性は、さまざまな光感知回路に効果的に適用できます。
発光ダイオードの動作
LEDはシリコンダイオードとは異なる化学物質でできているため、順方向の電圧降下は異なります。通常、LEDの順方向電圧降下は整流ダイオードよりもはるかに大きく、色に応じて約1.6ボルトから3ボルト以上になります。標準サイズのLEDの一般的な動作電流は約20mAです。 LEDの順方向電圧よりも高いDC電圧源からLEDを動作させる場合は、完全な電源電圧がLEDに損傷を与えるのを防ぐために、直列接続された「ドロップ」抵抗を含める必要があります。 6 V電源を使用した下の図（a）の回路例を考えてみましょう。
LED電流を20mAに設定します。 （a）6 Vソースの場合、（b）24Vソースの場合。
LEDが1.6ボルト低下すると、抵抗の両端で4.4ボルトが低下します。オームの法則（R =E / I）に従って、20 mAのLED電流に対する抵抗のサイズ設定は、その電圧降下（4.4ボルト）を取り、回路電流（20 mA）で除算するのと同じくらい簡単です。これにより、220Ωの数値が得られます。
この220Ω抵抗の消費電力を計算すると、その電圧降下を取得して電流（P =IE）を掛けると、最終的に88 mWになり、1/8ワットの抵抗の定格内に収まります。
バッテリ電圧が高くなると、より大きな値の降下抵抗器が必要になり、場合によってはより高い電力定格の抵抗器も必要になります。供給電圧が24ボルトの場合の上記の図（b）の例を考えてみましょう。
ここで、ドロップ抵抗を1.12kΩのサイズに増やして、20 mAで22.4ボルトをドロップし、LEDが1.6ボルトしか受信しないようにする必要があります。これにより、抵抗器の消費電力も高くなります。448mW、約0.5ワットの電力です。明らかに、ここで使用すると、定格電力が1/8ワット、さらには消費電力が1/4ワットの抵抗器が過熱します。
LED回路のドロップ抵抗
LED回路の場合、ドロップ抵抗値は正確である必要はありません。上記の回路で1.12kΩの抵抗の代わりに1kΩの抵抗を使用するとします。その結果、回路電流とLED電圧降下がわずかに大きくなり、LEDからの光が明るくなり、耐用年数がわずかに短くなります。抵抗が大きすぎる（たとえば、1.12kΩではなく1.5kΩ）抵抗を落とすと、回路電流が少なくなり、LED電圧が低くなり、ライトが暗くなります。 LEDは印加電力の変動に非常に耐性があるため、ドロップ抵抗のサイズを完全に決める必要はありません。
回路内の複数のLED
照明などでは、複数のLEDが必要になる場合があります。 LEDが並列に動作する場合、電流がより均等に分割されるように、各LEDには下の図（a）のように独自の電流制限抵抗が必要です。ただし、単一のドロップ抵抗を使用してLEDを直列に動作させる方が効率的です（下の図（b））。直列LEDの数が増えると、電流を一定に保つために直列抵抗の値を減らす必要があります。直列のLEDの数（Vf）は電源の能力を超えることはできません。下の図（c）のように、複数の直列ストリングを使用できます。
複数のLEDの電流を均等化しても、個々の部品のばらつきにより、デバイスの輝度が一致しない場合があります。重要なアプリケーションの明るさのマッチングのためにパーツを選択できます。
複数のLED：（a）並列、（b）直列、（c）直並列
また、LEDはその独特の化学的構成により、通常の整流ダイオードよりもはるかに低いピーク逆電圧（PIV）定格を備えています。一般的なLEDは、逆バイアスモードでは定格が5ボルトしかない場合があります。したがって、交流を使用してLEDに電力を供給する場合は、下の図（a）のように、半サイクルごとに逆ブレークダウンを防ぐために、LEDと逆平行に保護整流ダイオードを接続してください。
ACでLEDを駆動する
上の図（a）の逆平行ダイオードは逆平行LEDに置き換えることができます。結果として得られる逆並列LEDのペアは、AC正弦波の交互の半サイクルで点灯します。この構成は20mAを消費し、交互のAC半サイクルでLED間で均等に分割します。この共有により、各LEDは10mAしか受信しません。同じことが、整流器とのLED逆並列の組み合わせにも当てはまります。 LEDは10ミリアンペアしか受け取りません。 LEDに20mAが必要な場合は、抵抗値を半分にすることができます。
LEDの一般的な仕様
LEDの順方向電圧降下は、波長（λ）に反比例します。波長が赤外線から可視色、紫外線に向かって減少するにつれて、Vfは増加します。この傾向は、単一のメーカーのさまざまなデバイスで最も明白ですが、さまざまなメーカーの特定のカラーLEDの電圧範囲は異なります。この電圧範囲を下の表に示します。
LEDの光学的および電気的特性
LEDと白熱電球
ランプとして、LEDは多くの点で白熱電球より優れています。
何よりもまず効率です。LEDは、白熱灯よりも電気入力のワットあたりはるかに多くの光電力を出力します。問題の回路がバッテリ駆動であり、効率がバッテリ寿命の延長につながる場合、これは大きな利点です。
2つ目は、LEDの信頼性がはるかに高く、白熱灯よりもはるかに長い耐用年数を備えているという事実です。これは、LEDが「低温」デバイスであるためです。LEDは、白熱金属フィラメントを備えた白熱灯よりもはるかに低い温度で動作し、機械的および熱的衝撃による破損の影響を受けやすくなっています。
3つ目は、LEDのオンとオフを切り替えることができる高速です。この利点は、LEDの「コールド」動作によるものでもあります。オフからオンに、またはその逆に移行する際に、熱慣性を克服する必要はありません。このため、LEDは、デジタル（オン/オフ）情報を光のパルスとして送信するために使用され、空のスペースまたは光ファイバーケーブルを介して、非常に高速（1秒あたり数百万パルス）で伝送されます。
LEDは、信号機や自動車のテールライトなどの単色照明アプリケーションに優れています。白熱灯は、フィルタリングが必要で効率が低下するため、このアプリケーションではひどいものです。 LEDはフィルタリングを必要としません。
LEDのデメリット
LEDを照明源として使用することの主な欠点の1つは、単色（単色）の発光です。赤、緑、または青のLEDの光の下で本を読みたがる人はいません。ただし、組み合わせて使用する場合は、LEDの色を混合して、より広いスペクトルの輝きを得ることができます。新しい広域スペクトル光源は白色LEDです。小さな白いパネルインジケーターは長年利用可能ですが、照明グレードのデバイスはまだ開発中です。
LEDとさまざまな照明の効率と寿命
照明の効率
白色LEDは、黄色の光を発するリン光物質を励起する青色LEDです。青と黄色は白色光に近いです。リン光物質の性質が光の特性を決定します。効率を犠牲にして、黄色と青色の混合物の品質を改善するために、赤リンを加えることができる。上記の表は、白色照明LEDを、予想される将来のデバイスやその他の従来のランプと比較しています。効率は、入力電力1ワットあたりの光出力のルーメンで測定されます。 50ルーメン/ワットのデバイスを100ルーメン/ワットに改善できれば、白色LEDの効率はコンパクト蛍光灯に匹敵します。
LEDの歴史
LEDは一般に、1960年代から研究開発の主要な主題となっています。このため、何十年にもわたって作成されたすべての形状、化学、および特性を網羅することは実用的ではありません。初期のデバイスは比較的薄暗く、適度な電流を流していました。効率は後の世代で改善され、照らされたLEDを注意深く直接見るのは危険です。これは眼の損傷を引き起こす可能性があり、LEDは降下電圧（Vf）と電流をわずかに増加させるだけで済みます。最新の高輝度デバイスは、0.7アンペア（82ルーメン/ワット、Luxeon Rebelシリーズクールホワイト）を使用して180ルーメンに達し、さらに高輝度モデルは、対応する明るさの増加とともにさらに高電流を使用できます。量子ドットなどの他の開発は現在の研究の対象であるため、将来これらのデバイスに新しいものが見られることを期待してください
レーザーダイオード
レーザー
レーザーダイオード は、通常の発光ダイオード（LED）をさらに発展させたものです。 「レーザー」という用語自体は、小文字で書かれることが多いという事実にもかかわらず、実際には頭字語です。 「レーザー」は L の略です ight A S による増幅 刺激された E R の使命 物質中の高レベルから低レベルのエネルギー状態に落ちる電子によって放出される特徴的な光が物質内の他の電子を刺激して同様の「ジャンプ」を行い、その結果、光の同期出力が得られる、別の奇妙な量子プロセスを指します。材料から。この同期は、実際のフェーズにまで及びます。 「レイジング」材料から放出されるすべての光波が同じ周波数（色）であるだけでなく、互いに同じ位相であるように、放出された光のしっかりと閉じ込められた、分散しないビーム。これが、レーザー光が長距離にわたって非常に焦点を合わせたままである理由です。レーザーから来るすべての光波は互いに歩調を合わせています。
（a）多くの波長の白色光。 （b）単色LEDライト、単一波長。 （c）位相コヒーレントレーザー光。
白熱灯は、上の図（a）のように、「白色」（混合周波数または混合色）の光を生成します。通常のLEDは単色光を生成します。同じ周波数（色）ですが、位相が異なるため、図（b）で同様のビーム分散が発生します。レーザーLEDはコヒーレント光を生成します ：単色（単色）と単相（単相）の両方の光で、図（c）のように正確なビーム閉じ込めが得られます。
レーザー光は、現代の世界で幅広い用途があります。真っ直ぐで非分散の光線が測定マーカーの正確な照準に非常に役立つ測量から、焦点を合わせたレーザーの狭さだけである光ディスクの読み取りと書き込みまで、あらゆるものがあります。ビームは、デジタル情報のバイナリ1と0で構成されるディスク表面の微細な「ピット」を解決することができます。
一部のレーザーダイオードは、短時間のバーストで大量の電圧と電流を供給するために、特別な高出力の「パルス」回路を必要とします。他のレーザーダイオードは、より低い電力で連続的に動作する場合があります。連続レーザーでは、レーザーの作用はダイオード電流の特定の範囲内でのみ発生するため、何らかの形の電流調整回路が必要になります。レーザーダイオードが古くなると、必要な電力が変化する可能性があります（より少ない出力電力でより多くの電流が必要）が、LEDのような低電力レーザーダイオードはかなり長寿命のデバイスであり、通常の耐用年数は数十になります。数千時間。
フォトダイオード
フォトダイオード は、紫外線、可視光、または赤外光の照射に応答して電子電流を生成するように最適化されたダイオードです。シリコンは、フォトダイオードの製造に最もよく使用されます。ただし、ゲルマニウムとガリウムヒ素を使用できます。光が半導体に入る接合部は、光が電子正孔対に変換されるアクティブ領域（空乏領域）にほとんどの光を通過させるのに十分な薄さである必要があります。
下の図では、N型ウェーハへの浅いP型拡散により、ウェーハの表面近くにPN接合が生成されます。 P型層は、できるだけ多くの光を通過させるために薄くする必要があります。ウェーハの裏側での重いN +拡散は、金属化と接触します。上部の金属化は、大きなセルの場合、ウェーハの上部にある金属フィンガーの細かいグリッドである場合があります。小さなフォトダイオードでは、トップコンタクトはベアPタイプシリコントップに接触する唯一のボンドワイヤである可能性があります。
フォトダイオード：回路図記号と断面図。
フォトダイオードはどのように機能しますか？
フォトダイオードスタックの最上部に入る光の強度は、深さの関数として指数関数的に減衰します。薄いトップP型層により、ほとんどの光子が電子正孔対が形成される空乏領域に入ることができます。内蔵のダイオード電位による空乏領域全体の電界により、電子がN層に掃引され、正孔がP層に掃引されます。
実際には、電子正孔対はどの半導体領域でも形成される可能性があります。ただし、空乏領域で形成されたものは、それぞれのN領域とP領域に分離される可能性が最も高くなります。 P領域とN領域で形成された電子正孔対の多くが再結合します。空乏領域でそうするのはごくわずかです。したがって、N領域とP領域のいくつかの電子正孔対、およびほとんどの空乏領域が光電流に寄与します。 、フォトダイオードに当たる光から生じる電流。
フォトダイオードの操作
フォトダイオードからの電圧が観測される場合があります。この太陽光発電での運用 （PV）モードは、感度が高く、100 kHz未満の周波数ではノイズが少ないものの、広いダイナミックレンジでは線形ではありません。推奨される動作モードは、多くの場合、光電流（PC）です。 電流は数十年の強度にわたって光束に線形に比例し、より高い周波数応答を実現できるため、モードになります。 PCモードは、フォトダイオードの逆バイアスまたはゼロバイアスで実現されます。電流増幅器（トランスインピーダンス増幅器）は、PCモードのフォトダイオードとともに使用する必要があります。ダイオードが順方向にバイアスされない限り、直線性とPCモードが実現されます。
太陽電池とは対照的に、フォトダイオードには高速動作が必要になることがよくあります。速度はダイオード容量の関数であり、セル面積を減らすことで最小化できます。したがって、高速光ファイバーリンク用のセンサーは、必要以上の面積、たとえば1mm2を使用します。静電容量は、製造プロセスで空乏領域の厚さを増やすか、ダイオードの逆バイアスを増やすことによっても減らすことができます。
さまざまな種類のPINダイオード
PINダイオード p-i-nダイオード または PINダイオード は、下図のように、P領域とN領域の間に固有の層を持つフォトダイオードです。 P -私 本質的- N 構造により、PとNの導電層間の距離が増加し、静電容量が減少し、速度が増加します。感光領域の体積も増加し、変換効率が向上します。帯域幅は数十gHzまで拡張できます。 PINフォトダイオードは、高感度と中程度のコストでの高速性のために好まれます。
PINフォトダイオード：固有領域は空乏領域の厚さを増加させます。
アバランシェフォトダイオード： アバランシェフォトダイオード（APD） 高逆バイアスで動作するように設計されているため、光電子増倍管に類似した電子増倍管効果が得られます。逆バイアスは、数十ボルトからほぼ2000 Vまで実行できます。高レベルの逆バイアスは、固有領域で光子によって生成された電子正孔対を、結晶格子との衝突から追加のキャリアを解放するのに十分な速度まで加速します。したがって、光子ごとに多くの電子が発生します。 APDの動機は、フォトダイオード内で増幅を実現して、外部増幅器のノイズを克服することです。これはある程度機能します。ただし、APDは独自のノイズを生成します。高速では、APDはPINダイオード増幅器の組み合わせよりも優れていますが、低速アプリケーションには適していません。 APDは高価で、おおよそ光電子増倍管の価格です。そのため、ニッチなアプリケーション向けのPINフォトダイオードとのみ競合します。そのようなアプリケーションの1つは、原子核物理学に適用される単一光子カウントです。
太陽電池
負荷に効率的に電力を供給するために最適化されたフォトダイオードは、太陽電池です。 。負荷抵抗の両端に発生する電圧によって順方向にバイアスされるため、太陽光発電モード（PV）で動作します。
単結晶太陽電池
単結晶太陽電池は、半導体処理と同様のプロセスで製造されます。これには、溶融した高純度シリコン（Pタイプ）から単結晶ブールを成長させることが含まれますが、半導体ほど高純度ではありません。ブールは、ダイアモンドソーまたはワイヤーソーでウェーハになります。ブールの端は廃棄またはリサイクルする必要があり、シリコンは鋸の切り口で失われます。現代のセルはほぼ正方形であるため、シリコンはブールを二乗する際に失われます。細胞をエッチングして表面をテクスチャリング（粗面化）し、細胞内に光を閉じ込めるのに役立てることができます。 10または15cmの正方形のウェーハを製造すると、かなりのシリコンが失われます。最近（2007年）、太陽電池メーカーはこの段階でサプライヤーから半導体業界にウェーハを購入するのが一般的です。
太陽電池コンポーネント
P型ウェーハは溶融シリカボートに連続してロードされ、拡散炉内のN型ドーパントに外面のみが露出します。拡散プロセスは、セルの上部に薄いn型層を形成します。拡散はまた、セルの端を前から後ろに短絡します。セルを短絡解除するには、プラズマエッチングによって周辺部を除去する必要があります。セルの背面には銀またはアルミニウムのペーストが、前面には銀のグリッドがスクリーンされています。これらは、良好な電気的接触のために炉内で焼結されます。 （下の図）
セルは金属リボンと直列に配線されています。 12 Vバッテリーを充電するために、約0.5 Vの36個のセルが、ガラスとポリマーメタルバックの間に真空ラミネートされています。ガラスには、光を閉じ込めるのに役立つテクスチャ表面がある場合があります。
シリコン太陽電池
The ultimate commercial high efficiency (21.5%) single crystal silicon solar cells have all contacts on the back of the cell. 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]
レビュー：
- 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
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