10.4 Zusammenfassungen zu Kapitel 10

10.4.1 Merkpunkte zu Kapitel 10: Bauelemente

Solarzellen sind großflächige Dioden = pn-Übergänge.  
Rückwärtsstrom in beleuchteter Solarzelle
Entscheidend ist die Erhöhung des Feldstroms unter Beleuchtung durch zusätzlich generierte Ladungsgträger. Þ  
Die im Dunkeln vorliegende Kennlinie verschiebt sich um den Photostrom "nach unten".  
   
jF(beleuchtet)   =   jF(dunkel) + jF(Licht)
 
   
Wesentliche Solarzellenparameter sind:  
IV Kennline Solarzelle
Leerlaufspannung ("open circuit") UOC  
Kurzschlussstrom ("short cicuit") ISC  
Füllfaktor FF  
Daraus ergibt sich der optimale Arbeitspunkt mit UI = maximal und der zugehörige Wirkungsgrad der vorliegende Solarzelle h = (UOC · ISC · FF)/Lichtleistung  
         
Der maximale theoretische Wirkungsgrad ergibt sich aus einem Kompromiß:  
Maximaler Wirkungsgrad Solarzelle

EGop » 1,4 eV
   hmax » 30 %
Kleine Energielücke:
  • Auch infrarotes Sonnenlicht wird absorbiert und generiert Ladungsgträger.
  • Die Differenz hnEG erzeugt aber nur Wärme.
 
Große Energielücke:
  • Energiereiches Licht (inkl. UV) wird gut genutzt.
  • (Infra-)Rotes Sonnenlicht wird nicht absorbiert. Die enthaltene Energie geht verloren.
 
Das damit zu bestimmende Optimum der Energielücke ist um EG = 1,4 eV; der erzielbare maximale theoretische Wirkungsgrad liegt bei hmax » 30 %.  
       
Wichtige (Zehner)zahlen:  
Diese Zahlen geben ein gutes Gefühl für die Möglichkeiten und Begrenzungen der Solarenergie.  
Max. Sonnenleistung: SP 1kW/m2
"Peak" Solar: WP = 1kW/m2 · 10 % = 100 W/m2
Mittelwert Solar: Wm = WP · 10 % = 10 W/m2
Energie: Ea = Wm · 365 · 24 = 100 kWh/a · m2
Gesamt elektr. Bedarf Deutscher = 6.000 kWh/a
Platzbedarf Deutscher für Solarzellen = 50 m2
 
Merke: Arbeitsleistung 1 Sklave = (3 - 5) m2 Solarzellen.
Gesamtenergieverbrauch (Elektr., Heizung, Auto, ...) Deutscher » 50.000 kWh/a » (10 – 20) Sklaven
         
Reale Solarzellen werden per Ersatzschaltbild beschrieben.  
Ersatzschaltbild Solarzelle
Kritisch sind insbesondere Serienwiderstand RSE und Parallelwiderstand ("shunt") RSH  
Serienwiderstände im mW sind bereits schädlich; das ergibt ein schwieriges technisches Problem.  
         
Technische Herausforderung für kostengünstige Fabrikation: Þ  
Produziere 1 m2 pro Minute,
d. h. zwei Solarzellen mit
(15,6 × 15,6) cm2 in drei Sekunden
         
Wesentliche Punkte des Bipolartransistors:  
band diagram bipolar transistor
   
Der Emitter - Kollektor Strom wird durch den Emitter-Basis Strom gesteuert. Immer npn- oder pnp-Struktur mit dünner Basis.  
Die Emitter-Basis-Diode ist in Durchlaßrichtung gepolt, die Basis-Kollektor-Diode in Sperrichtung.  
Die in die Basis injizierten Majoritäten des Emitters durchwandern die Basis (deshalb dB << L) und gewinnen viel Energie im starken Feld des Basis-Kollektor-Kontakts Þ Leistungsverstärkung; aktives Bauelement!  
Die Stromverstärkung b = IC/IB ist durch die Dotierung bestimmt:  
   
b   »   NDot(E)
NDot(B)
æ
ç
è
 
1  –  dB
L
ö
÷
ø
 »  NDot(E)
NDot(B)
   
Wesentliche Punkte des MOS-Transistors  
Basic MOS transistor

Kennlinie MOS Transistor
 
Der Source-Drain-Strom ISD wird durch die Gate-Spannung UG gesteuert. Grundstruktur: Metall (allg. Leiter) - Oxid (allg. Dielektrikum) - Semiconductor.  
Einer der beiden pn-Übergänge von Source oder Drain zum Substrat ist ohne passende Gatespannung immer gesperrt.
Þ  ISD » 0 A für UG = 0 V
 
Gatespannungen mit derselben Polarität wie die Majoritäten unter dem Gate treibt die Majoritäten elektrostatisch "nach unten", d. h. sie verringern nMaj  
Massenwirkungsgesetz: nMaj ß    Þ nMin Ý. Bei UG > Uthr wird Inversion erreicht; danach hat das Gebiet unter dem Gate dieselbe Art Majoritätsträger wie Source und Drain.  
Zwischen Source und Drain existiert jetzt ein leitender Kanal; Strom kann fließen.  
Entscheidend für die Funktion ist die Gate-Substrat-Kapazität und damit das Gate-Dielektrikum.  
         
Merke: Þ  
Halbleiter und Halbleitertechnologie
sind im Zentrum moderner Technik.

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