Transcript Slide 1
Optoelektronske komponente • • • • • • • • • • fotoelektrični efekat spontano i stimulisano zračenje fotodiode fotonaponske ćelije fototranzistori fotootpornici poluprovodničke svetlosne diode (LED) poluprovodničke laserske diode opto-izolatori CCD elementi Svetlost u užem smislu predstavlja vidljivi deo elektromagnetnog zračenja. U fizici se svetlost posmatra šire i odnosi se na elektromagnetno zračenje bilo koje talasne dužine. Optoelektronika se bavi proučavanjem električnih uređaja koji mogu služiti kao izvor, detektor ili uređaj koji kontroliše svetlost. U optoelektronici se pored vidljivog dela spektra koristi i ultraljubičasto, infracrveno kao i X i Gama zračenje Optoelektronika se bazira na kvantno mehaničkom uticaju svetla na poluprovodničke materijale Fotoelektrični efekat se odnosi na emitovanje elektrona sa nekog materijala pod uticajem elektromagnetnog zračenja Fotonaponski i fotoprovodni efekti su u direktnoj relaciji sa fotoelektričnim efektom i nazivaju se i unutrašnji fotoelektrični efekat. Elektroni u ovom slučaju ne emituju sa materijala već samo menjaju nivo (prelaze iz valentnog u provodni nivo), čime se menja provodljivost materijala, odnosno generiše napon Da bi se efekat jednostavnije objasnio svetlost posmatramo kao niz fotona pri čemu svaki foton nosi jedan kvant energije, Svaki foton je povezan sa samo jedom talasnom dužinom, odnosno frekvencijom svetlosti. Fotoni veće frekvencije (manje talasne dužine) nose veću energiju Energetski procep predstavlja minimalnu energiju neophodnu da elektron izađe iz valentnog opsega. Različiti poluprovodnički materijali su osetljivi na različite delove svetlosnog spektra. Spontana i stimulisana emisija Emisija svetlosti iz poluprovodnika nastaje pri rekombinaciji parova elektron šupljina kada se elektron iz provodnog vrati u valentni nivo. Emitovano zračenje može biti koherentno i nekoherentno. Nekoherentno zračenje se sastoji od fotona različitih talasnih dužina faza i pravca prostiranja. Primer izvora nekoherentnog zračenja je LED (Light Emitting Diode) dioda. Koherentno zračenje ima istu frekvenciju, fazu i smer. Kod stimulisane emisije elektroni pri prelasku iz provodnog u valentni nivo emituju fotone iste faze, frekvencije, polarizacije i smera kao što su fotoni koji iniciraju proces. Ovaj proces je identičan po formi sa atomskom apsorbcijom kada atomi primaju energiju dolazećeg fotona, čime se elektron izbija iz valentnog nivoa i formira par elektron – šupljina Generalno u normalnim matrijalima apsorbcija je veća od stimulisane emisije. Međutim, ako se materijal dovede u stanje gde je veliki deo atoma već u pobuđenom stanju stimulisana emisija prevazilazi apsorbciju i tada materijal predstavlja jezgro lasera. Fotodiode • Fotodiode konveruju svetlost u struju ili napon • Svetlost ne mora pripadati vidljivom delu spektra • U suštini fotodiode konvertuju elektromagnetne talase u struju ili napon jer je svetlost samo deo elektromagnetnog spektra • Fotodiode su po konstrukciji slične standardnim diodama s tim što kućište fotodiode, ili jedan deo, propušta svetlost koja onda može da pada na PN spoj • Simbol fotodiode: Da bi se u poluprovodniku došlo do stvaranja slobodnog para elektron-šupljina energija dolazećeg fotona EP mora biti veća od energetskog procepa poluprovodnika Eg E P h hc Eg h predstavlja Plankovu konstantu koja iznosi 6,626∙10-34 Js, ν frekvenciju svetlosti, λ talasnu dužinu svetlosti, a c brzinu svetlosti. Iz izraza se vidi da postoji granična talasna dužina svetlosti λ0 iznad koje ne dolazi do pojave fotoelektričnog efekta. Fotodiode se koriste u režimu inverzne polarizacije. Ukupna struja diode data je izrazom: VD V i i f I S e T 1 gde if predstavlja fotostruju Pri jakoj inverznoj polarizaciji struja kroz fotodiodu iznosi: i i f I S Pošto je inverzna struja zasićenja Is približno konstantna može se reći da je struja fotodiode srazmerna intenzitetu svetlosti Zavisnost struje fotodiode od intenziteta svetlosti je linearna jer je broj slobodnih nosilaca koji se generišu u poloprovodniku linearna funkcija jačine svetlosti. Spektralna karakteristika pokazuje zavisnost struje od talasne dužine svetlosti (pri konstantnom intenzitetu). Oblik spektralne karakteristike zavisi od vrste poluprovodničkog materijala odnosno od energetskog procepa poluprovodnika. Fotonaponske (solarne) ćelije Fotonaponske ćelije rade na istom principu kao i fotodiode i generišu električnu energiju pri izlaganju dnevnoj svetlosti. Suštinski nema razlike, osim što se solarne ćelije prave tako da njihova spektralna karakteristika odgovara spektralnoj karakteristici sunčevog spektra. Na osnovu stvaranja slobodnih parova elektron-šupljina pojavljuje se električno polje u oblasti prostornog tovara koje generiše struju od katode ka anodi. Napon na krajevima fotonaponske ćelije je maksimalan kada ćelija nije opterećena i tada je: V MAX if V T ln 1 I S Fototranzistori Fototranzistori rade slično fotodiodama s tim što tranzistor ima i pojačavačka svojstva, tako da se pri istoj jačini svetlosti dobija veća struja nego kod fotodiode Uglavnom se koristi konfiguracija sa zajedničkim emitorom. Osvetljavanjem baze tranzistora generišu se manjinski nosioci koja se osim po uzroku nastanka ne razlikuje od inverzne struje zasićenja spoja baza-kolektor. Ukupna struja data je izrazom: iC β 1 I CB0 i f Tipična strujno-naponska karakteristika je prikazana na slici. Može se primetiti da za razliku od običnih bipolarnih tranzistora gde se kao parametar pojavljuje struja baze u ovoj karakteristici kao parametar pojavljuje intenzitet svetlosti. Fotootpornici Fotootpornici menjaju otpornost (provodnost) pod uticajem svetlosti koja pada na njih Kod fotootpornika se u poluprovodičkom materijalu pod uticajem svetlosti elektroni pobuđuju i prelaze iz valentnog u provodni nivo, čime se povećava provodnost materijala Ako se na fotootpornik dovede napon intenzitet struje koja protiče kroz njega će zavisiti od intenziteta svetlosti Otpornost fotootpornika se kreće u opsegu od 1 MΩ (za apsolutni mrak) do otpornosti ispod 100 Ω kada je izložen jakoj svetlosti Koriste se kao detektori svetla u foto aparatima, uličnim svetlima, noćnim alarmima Prednost im je niska cena i pouzdanost, a mana spora brzina reakcije (Potrebno je nekoliko sekundi za punu promenu otpora pri nagloj promeni svetla) Da bi se smanjila promena otpornosti sa promenom temperature koriste se materijali sa velikim energetskim procepom kao što su kadmijum-sulfid (CdS) i olovo sulfid (PbS) Poluprovodničke svetlosne diode LED (Light Emission Diode) diode, pretvaraju električnu energiju u svetlost na bazi spontane rekombinacije. Da bi se pospešila rekombinacija LED diode se direktno polarišu. Intenzitet emitovane svetlosti zavisi od inteziteta struje direktne polarizacije, dok je talasna dužina emitovane svetlosti povezana sa veličinom energetskog procepa poluprovodnika. LED diode koje emituju vidljivu svetlost se prave od materijala koji imaju energetski procep u opsegu od 1,7eV do 3,5eV Zbog većeg energetskog procepa LED diode imaju veći napon provođenja od silicijumskih dioda (1,7 – 4,5 V) Efikasnost LED dioda je višestruko veća od efikasnosti sijalica sa užarenim vlaknom Laserske diode Laserska dioda generiše koherentnu svetlost koja ima istu talasnu dužinu polarizaciju i fazu Aktivna oblast je omeđena reflektujućim površinama Uobičajeni opseg talasnih dužina zračenja je od 375 do 2680 nm Optička snaga koju laserske diode generišu je obično u opsegu od 1-100 mW Spektar zračenja laserskih dioda je veoma uzan, uži od 2 nm Laserske diode imaju veliku brzinu odziva što omogućava prenos podataka izuzetno velikim brzinama Za optičke medijume (CD, DVD, BlueRay) koriste se laserske diode manjih talasnih dužina, jer manja talasna dužina omogućava veću gustinu zapisa Za prenos podataka se najčešće koriste talasne dužine pri kojima je slabljenje signala u optičkom kablu minimalno (opsezi oko 1300 i oko 1550 nm) Opto-izolatori (optokapleri) Kod opto-izolatora izvor i detektor svetlosti su najčešće smešteni u istom kućištu Na primer moguće je korišćenje LED diode i fototranzistora kao što je prikazano na slici Opto-izolatori se koriste za prenos signala između delova sistema koji moraju biti galvanski izolovani. Opto-izolatori sprečavaju oštećenja u električnim kolima usled pojave visokog napona. Komercijalni opto-izolatori omogućavaju izolacionu otpornost od 1012 Ω i potencijalnu razliku između ulaza i izlaza od 10 kV Uglavnom se koriste za prenos digitalnih signala, ali postoje i modeli koji imaju veliku linearnost tako da je moguć prenos i analognih signala CCD elementi 1 - fotoni prolaze kroz objektiv kamere 2 - mikrosočivo piksela 3 - crveni filter piksela, deo Bayerovog filtera 4 - transparentna elektroda (polikristalni silicijum) 5 - kvarcni izolator 6 - n-tip silicijumski kanal 7 - zona potencijalne rupe (paket n-tipa) 8 - silicjumski supstrat p-tipa Svaki piksel se ponaša kao kondenzator u kome je prikupljeno naelektrisanje proporcionalno intenzitetu primljene svetlosti Prikupljena naelektrisanja se serijski prenose do pojačavača koji ih konvertuje u odgovarajući napon Bayerov filter