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Conceptos básicos Efecto fotovoltaico: conversión de luz en electricidad. Materia: constituida por átomos Núcleo: carga eléctrica positiva y neutrones. Electrones: carga eléctrica negativa. Los electrones de la última capa son electrones de valencia que al unirse con otro forman redes cristalinas. Átomo de Bohr (Rutherford) Orbitales Orbitales Números Cuánticos Tipos de materiales Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo. Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo. Aislantes: configuración muy estable. Los materiales usados en las celdas solares son los semiconductores. Clasificación de los sólidos basado en grado de orden atómico Columna IV II II I V V I Metaloides (semiconductores) Materiales Semiconductores Clasificación General Ejemplos Especificos Semiconductores simples Si, Ge Compuestos III-V AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb Compuestos II-VI ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS Aleaciones AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Hg1-xCdxTe, GaxIn1As1-yPy Modelo de enlace en semiconductores Modelo 3D Átomo único Cada línea representa un electrón de valencia compartido Silicio Modelo de Enlace Cada círculo representa la estructura interna del átomo semiconductor (Ej Silicio) -Enlace covalente -Modelo válido a T= 0K Representaciones en el modelo de enlace Representación de un átomo faltante Representación de la liberación de un electrón Estructura semiconductores Materiales: Si, Ge, P, As. Estructura del Si: segundo elemento del planeta más abundante. 14 electrones y 14 protones, 4e- de valencia. se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra cristalizada Representaciones en modelo de bandas vacío Ec Ec Ec Ev Ev Ev Completamente lleno Sin portadores Pérdida del electrón Hueco resultante Modelo simplificado de bandas de energía Ec Ev Y Nivel de Energía X Desplazamiento en el cristal Ec: Mínima energía para pasar a la banda de conducción Ev: Máxima energía para permanecer en la banda de valencia *Diferencia de materiales: anchura de banda prohibida Modelo de bandas para distintos tipos de materiales Muy estrecha Pocos electrones Ec amplia Ec Eg~8 eV (SiO2) Eg~8 eV (Diamante) Ev Ec Ev Eg~1.42 eV (GaAs) Eg~1.12 eV (Si) Eg~ 0.66 eV (Ge) Superpuesta Ev Ec Ev Aislantes Semiconductores Metales Dopado: Dopantes comunes de silicio Donadores Aceptadores (elementos columna V) (elementos columna III) P B As Ga Sb In Al Semiconductor Intrínseco Celda elemental de Si: se unen 5 átomos del material, enlace covalente. no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor intrínseco o “tipo I”. Acción donadora y aceptadora P+ Acción donadora B- Acción aceptadora Semiconductor “tipo N” Si incorporamos una impureza, P (5 electrones de valencia) habrá un electrón libre. El material tendrá exceso de cargas negativas. Semiconductor “tipo P” Si incorporamos B (3 electrones de valencia) aparecerá un hueco. No se produce enlace covalente y hay exceso de cargas positivas. La unión P-N La unión P-N en equilibrio - - - - - - - - Semiconductor tipo P + + + + + - + + + - + + - - + + + + + Semiconductor tipo N + La unión P-N La unión P-N en equilibrio Barrera de Potencial - - - - - - - Semiconductor tipo P + - - + + + + - + + + - + + - - + + + + + + Semiconductor tipo N + Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘barrera de potencial’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona. La unión P-N La unión P-N La unión P-N polarizada inversamente P - - - - - - - + - + + + + - + + + - + N + + - - + + + + + + La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente. La unión P-N La unión P-N polarizada en directa P - - - - - - - + + + - - - + + + + + - + N + + - - + + + + + + La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa. La unión P-N La unión P-N polarizada en directa P - - - - - - - + + + - - - Concentración de huecos + + + + + - + N + + - - + + + + + Concentración de electrones + La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión. La unión P-N Conclusiones: Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica P N DIODO SEMICONDUCTOR Curva del diodo ánodo p i [mA] cátodo 1 Ge n A K Símbolo Si V [Volt.] -0.25 0 0.25 0.5 Silicio Germanio VKDTq I D I S e 1 IS = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman VD = Tensión diodo q = carga del electrón T = temperatura (ºK) ID = Corriente diodo FIN