Optoelektronika Zdroje Detektory Systémy Optoelektronické součástky využívají interakce záření a elektricky nabitých částic v polovodičích. Optoelektronika 1839 E. Becquerel - Fotovoltaický jev 1873 W. Smith - Fotovodivost selenu 1954 Chapin, Fuller, Pearson - Solární článek s pn přechodem 1962 Pankove, Berkeyheiser - GaAs LED 1962 R. N. Hall, Nathan, .... - GaAs LASER 1962 N. Holonyak... - GaAsP červený LASER 1963 H. Kroemer, Alferov - návrh LASERu s heteropřechodem 1963 Allen - GaP červená LED 1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED 1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda ....................................... - elektromagnetické vlny s vlnovou délkou - množství fotonů (kvant) o energii W Záření e chch hW = == Planckův zákon h - Planckova univerzální konstanta (h = 6.62 10-34 J.s ) c - Rychlost světla (c = 3.108 m.s-1) e - Náboj elektronu (e = 1,60210-19 C) Záření e chch hW = == Planckův zákon Čím kratší je vlnová délka fotonu, tím větší je jeho energie. (m) (m) vlnočet (cm-1) 1eV 0.2eV0.4eV3eV 2 W(eV) W(eV) počet vln na cm Wg Interakce záření a polovodiče W > Wg ABSORPCE (fotoelektrický jev) V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnová délka je kratší než ABSORPČNÍ HRANA ];[ 24,1 eVm Wg Aplikace: FOTODETEKTORY Wg Interakce záření a polovodiče W > Wg ABSORPCE (fotoelektrický jev) V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnová délka je kratší než ABSORPČNÍ HRANA ];[ 24,1 eVm Wg 1921 ­ Nobelova cena za fyziku ­ objev fotoelektrického jevu Wg Interakce záření a polovodiče W > Wg ABSORPCE (fotoelektrický jev) Absorpční hrana (T=300 K) : Ge: = 1.5 m Wg = 0.84 eV Si: = 1.1 m Wg = 1.12 eV GaAs: = 0.85 m Wg = 1.42 eV Pro danou vlnovou délku musíme vybírat detektor podle materiálu! Pro delPro delšíší vlnovou dvlnovou déélku je polovodilku je polovodičč prprůůhledný (neabsorbuje).hledný (neabsorbuje). Elektron samovolně (spontánně) rekombinuje s dírou. Interakce záření a polovodiče Wg Uvolněná energie se vyzáří ve formě fotonu (zákon zachování energie). Aplikace: LED (Light Emitting Diode) Rekombinace elektronu s dírou je stimulována přilétajícím fotonem, jehož frekvence, polarizace a fáze je shodná jako u vyzářeného fotonu. Interakce záření a polovodiče Wg Vznikající záření je koherentní. Aplikace: LASER (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation) Interakce záření a polovodiče Wg Zur Quantentheorie der Strahlung, Physika Zeitschrift, Volume 18, pp. 121 ­ 128, 1917 PPřředpovedpověďěď stimulovanstimulovanéé emiseemise PoPoččáátek fyziky lasertek fyziky laserůů FOTONOVÁ VAZBA zdroj - detektor Zdroje a detektory záření Injektované elektrony a díry rekombinují spontánní emise. Zdroje nekoherentního záření + - Ucc R = (Ucc ­ ULED) / IF ULED IF LED 1,5820 / 900 / 950Infračervené zářeníGaAs:Si 3,6450 ­ 650 4500K* BíláSiC/GaN + luminofor na povrchu čipu 2,0635ČervenáGaAs0,35 P0,65 :N, GaAs0,6 P0,4 , GaP:Zn-O 2,1585ŽlutáGaAs0,15 P0,85 :N 2,2565ZelenáGaP 3,6450ModráSiC, GaN Úbytek napětí @IF =20mA [V] Vlnová délka [nm] Barva světla/zářeníMateriál LED 1,5820 / 900 / 950Infračervené zářeníGaAs:Si 3,6450 ­ 650 4500K* BíláSiC/GaN + luminofor na povrchu čipu 2,0635ČervenáGaAs0,35 P0,65 :N, GaAs0,6 P0,4 , GaP:Zn-O 2,1585ŽlutáGaAs0,15 P0,85 :N 2,2565ZelenáGaP 3,6450ModráSiC, GaN Úbytek napětí @IF =20mA [V] Vlnová délka [nm] Barva světla/zářeníMateriál RB=(Uout­UBE)/IB=(Uout­UBE)h21E/IC=(5 ­ 0,7) 100/0,02 = 21,5 k volíme 22 k IC = ILED = 20 mA IB Ioutm Uout IC +5VPříklad: zelená LED Ioutm = 5 mA@5V, h21E=100, RC=?, RB =? RB=? UBE RC=? +5V RC = (UCC ­ UCEsat - ULED) / ILED = = (5 ­ 0,2 ­ 2,2) / 0,02 = 130 ULED katalog Detektory záření - fotodioda Wg Záření o energii h > Wg je absorbováno v OPN OPN svým elektrickým polem separuje elektrony a díry závěrný směr VZNIKÁ FOTOPROUD Detektory záření - fotodioda foton foton foton OPN 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.5 0.0 0.5 1.0 WV WC NP + OPN + + - - - + - hh Energie(eV) Poloha (m) Detektory záření - fotodioda Záření absorbováno v OPN s velkou intenzitou elektrického pole. OPN je široká parazitni kapacita je malá odezva je rychlá Fotodioda - fotovodivostní režim 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30Proud(A) Napětí (V) -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) -10 -8 -6 -4 -2 0 1 Napětí (V) Intensitaozáření(mW.cm -2 ) 5 4 3 2 0 Rz Ik U0 = Ucc Rz Uvýst Se změnou intenzity dopadajícího záření se mění napětí Uvýst na fotodiodě. Fotodioda - fotovodivostní režim 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30Proud(A) Napětí (V) -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) -10 -8 -6 -4 -2 0 1 Napětí (V) Intensitaozáření(mW.cm -2 ) 5 4 3 2 0 Rz Ik U0 = Ucc Rz Uvýst Fotodioda zapojena jako spotřebič zdroj napětí + Rz Zdroj napětí existuje proud za tmy menší citlivost Fotovodivostní režim - zapojení 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 Proud(A) Napětí (V) -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) -10 -8 -6 -4 -2 0 1 Napětí (V) Intensitaozáření(mW.cm -2 ) 5 4 3 2 0 Rz Ik U0 = Ucc Rz Uvýst Fotodioda se chová jako zdroj proudu závislý na osvětlení Fotovoltaický režim ­ 4.kvadrant 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 Proud(A) Napětí (V) -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) -10 -8 -6 -4 -2 0 1 Napětí (V) Intensitaozáření(mW.cm -2 ) 5 4 3 2 0 Ish U0 FOTOVOLTAICKÝ REŽIM PROPUSTNÝ SMER -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) Ropt Ropt 2. V obvodu není zapojen žádný zdroj za tmy neteče proud! vhodné pro měření nízkých intenzit záření. 1. Fotodioda se chová jako zdroj sluneční články. Fotovoltaický režim ­ sluneční článek 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 Proud(A) Napětí (V) -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) -10 -8 -6 -4 -2 0 1 Napětí (V) Intensitaozáření(mW.cm -2 ) 5 4 3 2 0 Ish U0 FOTOVOLTAICKÝ REŽIM PROPUSTNÝ SMER -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) Ropt Ropt + dioda brání vybíjení baterie 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 Proud(A) Napětí (V) -30 -20 -10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Proud(A) -10 -8 -6 -4 -2 0 1 Napětí (V) Intensitaozáření(mW.cm -2 ) 5 4 3 2 0 Ish PROPUSTNÝ SMER Fotovoltaický režim - transimpedanční zapojení + - 1M uout +UCC -UCC Mezi vstupy operačního zesilovače je nulové napětí dioda pracuje do zkratu (Ish) lineární závislost uout = f (fotoproud) + - 1M uout +UCC -UCC < 0 Fotovoltaický režim - transimpedanční zapojení + - 1M uout +UCC -UCC Ish > 0 Fotodioda se chová jako zdroj proudu Ish. OZ (zapojen jako převodník proud-napětí) konveruje Ish na napětí Uout Transimpedanční zapojení Ish Na výstupu je napětí Uout = 1V na 1 A fotoproudu Ish. Fotovodivostní vs. fotovoltaický režim Fotovodivostní režim: použijeme, pokud je prioritou maximální rychlost Fotovoltaický režim: použijeme, pokud je prioritou nízký šum nebo energetická účinnost