Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."— Transkript prezentace:

1 ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2 Optoelektronické součástky Přehled elektromagnetického vlnění f [Hz] [m] k30k300k3M30M300M 10M1M100k 10k1k 101 Zvukové kmitočty Ultrazvuk Rádiové kmitočty Krátké vlny VKVUKV ELF f Poznámky: vlnová délka = c/f;ELF = Extra Low Frequency k = 10 3, M = 10 6 Slyšitelný zvuk Infrazvuk 100 Dlouhé v. Střední v.

3 Přehled elektromagnetického vlnění f [Hz] [m] 300M3G30G300G3T30T300T3000T 10,1 0,01 1mm 10  m Mikrovlnné kmitočty Decimetrové Optické záření Daleké infra Ultra- fialové UKV f 1m1m0,1  m Centimetrové Milimetrové Sub- milimetrové 0,1mm Blízké infra Viditelné Infračervené záření Rádiové kmitoč. Poznámky: M =10 6, G = 10 9, T = 10 12,  = 10 -6

4 Pásmo optických kmitočtů Pozn.: T = 10 12,  = 10 -6, n = 10 -9, h = 6, Js, 1eV = 1, J f [Hz] [m] 0,3T3T30T300T3 000T 0,1mm 10  m Mikrovlnné kmitočty Optické záření Daleké infračervené Ultrafialové záření f 1m1m0,1  m Milimetrové Sub- milimetrové Blízké infračervené Viditelné Infračervené 10nm 1nm Roentgen záření hf [eV] 0,0010,124 1,2412,4 0, mm T

5 Vlnově - korpuskulární dualismus Na elektromagnetické záření pohlížíme jako na spojitou vlnu a současně jako na proud částic – fotonů Fotony mají energii rovnou E = h.f = h.c/, kde h = 6, Js je Planckova konstanta Interakce elektromagnetického záření s látkou probíhá zásadně prostřednictvím interakce jednotlivých fotonů s částicemi látky Na kmitočtech, kde E = h.f  k.T/2 (kde k = 1, J/K je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota) nelze rozeznat jednotlivé interakce mezi tepelnými fluktuacemi – záření se jeví spíše jako spojité vlnění Této meze: kT/2 = 2, J = 0,012 eV se dosahuje právě na dolním okraji optického pásma kmitočtů

6 Interakce fotonu s látkou Foton optického záření interaguje v látce zejména s elektrony ve vyšších hladinách – ve valenční zóně, ve vodivostní zóně a na hladinách v zakázaném pásu. Typy interakcí: E hf  E=hf Pohlcení fotonu hf =  E EE Spontánní emise fotonu E EE hf =  E Stimulovaná emise fotonu E Při všech reakcích musí být zachována energie a hybnost. (energie fotonu E = hf = hc/, hybnost fotonu p = h/ = E/c)

7 Fotoefekty Jevy, související s absorpcí fotonů. Absorpce záření látkou (přeměna v teplo) Vnitřní fotoefekt (změna vodivosti) Vnější fotoefekt (emise elektronů z polovodiče) Pohlcení fotonu na elektronu ve vodivostní zóně a zpětný přechod elektronu doprovázený vyzářením fononu NEJČASTĚJŠÍ PŘÍPAD Foton hf Fonon kT E Zakáz. pás Foton hf E EgEg Valenční zóna Vodivostní zóna Pohlcení fotonu ve valenční zóně a uvolnění elektronu do vodivostní zóny (hf  E g ŔÍDKÝ PŘÍPAD (1,0 – 2 %) Foton hf E Valenční zóna Vodiv. zóna Zakázaný pás Pohlcení fotonu na elektronu ve valenční zóně a jeho uvolnění do volného prostoru (hf  W e ) VÝJMEČNÝ PŘÍPAD

8 Polovodičové detektory záření Polovodičové součástky, založené na vnitřním fotoefektu 1) Fotoodpor – polovodič, jehož vodivost je ovlivňována počtem uvolněných párů elektron – díra. 2) Fotodioda – odporový režim (dioda PIN): Dioda je předepnuta do závěrného směru. – lavinová fotodioda (APD): Dioda je předepnuta do závěru, těsně před lavinový průraz. – hradlový režim (fotočlánek): dioda je bez vnějšího předpětí. Generuje napětí a proud. 3) Fototranzistor – proud báze je řízen fotony dopadajícího záření. 4) Fototyristor – sepnutí tyristoru je vyvoláno proudem hradla v důsledku dopadajícího záření.

9 Polovodičové detektory záření Fotoodpor – struktury Tenká vrstva vlastního polovodiče nanesená na keramickou podložku opatřená dvěma kontakty. Struktury: S příčným elektrickým polem polovodičová vrstva 2  m keramika U S podélným elektrickým polem polovodičová vrstva 2  m keramika U Vodivost fotoodporu v nepřítomnosti záření je nízká. Dopadne-li na součástku záření o vlnové délce, kratší než kritická, vodivost fotoodporu výrazně vzroste.

10 Polovodičové detektory záření Fotoodpor – princip … měrná vodivost polovodiče … hustoty elektronů a děr n n,p mají složku n i, generovanou teplem a složky n nf,pf, generované fotony Fotoefekt:Rekombinace:V rovnováze platí: Kde: N f je hustota dopadajících fotonů  je pohltivost fotonů polovodičem  m -1   n,p je kvantová výtěžnost fotoefektu. Potom:

11 Polovodičové detektory záření Fotoodpor – princip … vodivost fotoodporu Skládá se ze složky G 0, která závisí na teplotě T a ze složky G f, závisející na hustotě dopadajících fotonů N f a na vlnové délce záření (resp. na spektru záření) w, l … jsou šířka a délka odporové vrstvy mezi kontakty d … je tloušťka polovodičové vrstvy Přitom  0 musí být velmi nízké, d musí být velmi nízké. Pro dostatečnou vodivost G fo je nutno aby šířka w byla velká a délka l velmi krátká  vysoká kapacita C fo fotoodporu. Rychlost změny vodivosti fotoodporu je tedy limitována : a)dobou života nosičů (  e ~ 0,1 – 10  s) b)časovou konstantou C fo /G fo

12 Polovodičové detektory záření Fotoodpor – vlastnosti, použití VLASTNOSTI: jednoduchá a levná součástka (amorfní polovodič) lze zhotovit pro všechna optická vlnová pásma dobrá citlivost odpor závisí na teplotě při malé intenzitě ozáření má fotoodpor vysokou impedanci pomalá reakce odporu na změnu ozáření POUŽITÍ: jednoduché měření intenzity ozáření – vhodná kompenzace teplotní závislosti G 0 nutné stálé spektrum dopadajícího záření nelze použít pro optické komunikace v důsledku pomalé reakce na změny ozáření

13 Polovodičové detektory záření Fotoodpor – kompenzace tepelné závislosti Můstkové zapojení senzoru záření s fotoodporem G fo1 G fo2 G1G1 G 2 =G 1  U2U2 U1U1 Fotoodpor exponovaný zářením Fotoodpor zastíněný

14 Polovodičové detektory záření Fotodioda – princip a režimy činnosti Na diodu dopadá optické záření  krit. V polovodiči se generují páry elektron- díra Ty, které jsou v dosahu vyčerpané oblasti přechodu disociují (driftují pod vlivem pole na opačné trany) a vytvoří proud I f Proud bez záření: Proud se zářením: U I I0I0 I 0 +I f Hradlový režim Odporový režim Lavinový režim

15 Fotodioda PIN Odporový režim činnosti Struktura diody PIN: Oblast I je zcela vyprázdněná. Bez záření protéká diodou malý zbytkový proud I 0 Fotony záření zde po dopadu generují páry elektron-díra Pod vlivem el. pole se díry pohybují k P a elektrony k N Tak vzniká fotoproud I f Popis funkce:..hustota fotoproudu Nezávisí na době života nosičů na rozdíl od fotoodporu! Kapacita diody je velmi malá Doba reakce t r je omezena dobou průchodu nosiče přes vrstvu I: t r = w/v max  100  m/3 000 m/s = 3,3 ns Mezní kmitočty 10 – 100 MHz I Vlastní polovodič w P N I

16 Fotodioda PIN Vlastnosti, aplikace Vlastnosti: Proud za tmy  I 0 ~ A pro = 0,9  m závisí silně na teplotě. Citlivost nižší, než fotoodpory (  0,6 A/W) kvůli menším rozměrům. Kapacita diody 1 až 2 pF. Mezní kmitočty až stovky MHz. Poměrně nízká úroveň šumu. Vhodné pro některé komunikační účely Aplikace: Přijímače v optických komunikacích. Detektory záření s krátkou reakční dobou. Schématická značka:

17 Lavinová fotodioda (APD) Struktura, funkce Struktura P + IPN + : Funkce: Bez záření diodou prochází pouze malý zbytkový proud I 0. Po dopadu záření se zejména ve vyprázdněné vrstvě I generují dvojice elektron-díra. Ihned se oddělují a vysokým el. polem E 0 jsou z oblasti I vytaženy. Elektrony vstupují do PN přechodu s vysokým polem a generují lavinový průraz. Počet elektronů se mnohonásobně zvýší (až 100x) Předpětí diody v blízkosti průrazného napětí U B I Vlastní polovodič P+P+ N+N+ I P E x ECEC E0E0

18 Lavinová fotodioda Vlastnosti, aplikace Vlastnosti: Aplikace: Především pro širokopásmové optické komunikace v pásmech 1 – 10  m . Vysoká citlivost až 50 A/W Mezní kmitočet až 1 GHz Vyšší šum než PIN diody Potřeba vysokého napájecího napětí (20 až 100 V) Závislost zesílení na teplotě Materiál: InP pro ~1,6  m Kapalná epitaxe (vrstvy narůstají – krystalizují z kapalné fáze)

19 Hradlová fotodioda Funkce Charakteristika fotodiody: U I U I Otočit o 90° Zatěžovací charakteristika el. zdroje: 11 22 33 44 Světelný tok W/m 2

20 Hradlová fotodioda Fotočlánek – vlastnosti, použití Vlastnosti:Použití: Vysoká kapacita přechodu C j Dlouhá reakční doba  ms Nepotřebuje napájení – sám je zdrojem napětí a proudu Účinnost na viditelné záření: – monokrystal. Si: 18% – polykrystal Si: 10% – amorfní Si: 7% Jako sluneční článek je zejména zdrojem energie pro satelitní elektroniku, případně v nepřístupných oblastech Jako dioda pro měření intenzity světla – pomalá reakce

21 Fototranzistor Funkce, použití Funkce: Použití: Bipolární tranzistor s nevyvedenou bází Záření dopadá na vyprázdněnou oblast přechodu báze – kolektor. Generované nosiče otevírají přechod báze – emitor Vzniklý bázový proud je tranzistorem zesílen Mezní kmitočty až do stovek MHz Zejména ve funkci optočlenu v kombinaci s LED. Schématická značka:

22 Fototyristor Funkce, použití Funkce: Použití: Tyristor s nevyvedeným hradlem Záření dopadá na vyprázdněnou oblast přechodu J 2, polarizovaného v závěrném směru Generované nosiče otevírají přechod hradlo – katoda Další vývoj je shodný s procesem u běžného tyristoru Zejména pro galvanické oddělení ovládací elektroniky a výkonné části.

23 Polovodičové generátory záření Polovodičové součástky, založené na emisi záření při rekombinaci elektronů a děr Nejčastější typy rekombinací: Přímá nezářivá rekombinace (nejčastější případ) teplo hf = E g Přímá zářivá rekombinace kvantová účinnost do 30% hf  E g EgEg teplo Nepřímá zářivá rekombinace kvantová účinnost do několika % E

24 Polovodičové generátory záření Svítivka – LED (Light Emitting Diode) Polovodičová dioda, předepnutá do propustného směru a vyzařující nekoherentní optické záření Struktura: Substrát GaAs Mezivrstva GaAsP GaAsP GaAsP typ P Typ N 20  m 25  m 100  m 300  m Schématická značka:

25 Svítivky – LED Funkce Přechod je polarizován v propustném směru – teče velký proud. Elektrony přecházejí z GaAsP typu N do GaAsP typu P, kde rekombinují Část rekombinací je zářivá (kvantová účinnost 8% až 30%) Jednotlivé fotony jsou navzájem nekoherentní a unikají do okolí přes tenkou vrstvu GaAsP typu P VA charakteristika LED: U [V] I [mA] GaAs SiC

26 Svítivky – LED Vlastnosti, aplikace Rychlost reakce omezena dobou života   1 – 10  s Vlnová délka záření závisí na materiálu a jeho dotacích, např.: – GaAs: E g = 1,43 eV, přímý přechod = 0,9  m,  ~ 25% – GaP: Eg = 2,24 eV, nepřímý přechod = 0,69  m,  ~ 6% (červená) – GaP/Cd: nepřímý, = 0,56  m (zelená) – SiC:  0,5  m  (modrá) Aplikace: Vlastnosti: Signalizace Optrony Úzkopásmové optické komunikace Problémy: Bílá barva Vícebarevné LED Stárnutí – difuze poruch a příměsí

27 Polovodičový laser (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation) Polovodičová dioda, předepnutá do propustného směru, vyzařující koherentní optické záření N nebo P GaAs N AlGaAs N + GaAs P + GaAs P AlGaAs ~ 100  m ~ 1  m hf Heteropřechod 1 Heteropřechod 2 Aktivní oblast Polopropustné zrcadlo Zrcadlo

28 Polovodičový laser se dvěma heteropřechody N nebo P GaAs N AlGaAs N + GaAs P + GaAs P AlGaAs Diodou protéká proud o vysoké hustotě až 100MA/m 2 Aktivní oblast GaAs mezi dvěmi vrstvami AlGaAs je vyplněna plazmou z elektronů a děr, které zářivě rekombinují. Stěny po stranách kvádru diody tvoří zrcadla, odrážející fotony dovnitř. Pravé zrcadlo je polopropustné (propouští asi 5% dopadajícího záření) V aktivní oblasti je vysoká koncentrace elektronů a děr i vysoká koncentrace fotonů Dochází k synchronizovaným přechodům elektronů což vede ke koherentnímu záření Struktura: Popis funkce: Oba heteropřechody GaAs - AlGaAs mají dvojí funkci: – udržují elektrony a díry v úzké vrstvě GaAs ( 1  m) ve vysoké koncentrci – díky odlišným optickým vlastnostem (než GaAs) odrážejí fotony dovnitř této vrstvy – udržují vysokou koncentraci fotonů

29 Polovodičový laser Vlastnosti, použití Optické komunikace do několika Gb/s Měření vzdálenosti, zaměřování, značkování, ukazovátko Obrábění, dělení materiálu, nastavování odporů v hybridní inegraci Operace očí, mozku Projekce obrazů, světelné efekty Použití:Vlastnosti: I[A]I[A] 4 2 P[W]P[W] Prahový proud Dokud se nedosáhne prahového proudu, dioda vydává pouze slabé spontánní záření. Potom se záření stane koherentním a výstupní výkon postupně roste.

30 Optický vazební člen Tranzistorový optočlen – funkce, použití Pro Galvanické oddělení obvodů Oddělení VN obvodů při regulaci Odstranění rušení Oddělení dálkových spojů Použití: Dioda LED na vstupní straně optočlenu vyzařuje infračervené záření, které zachycuje fototranzistor, umístěný ve stejném pouzdře. Uspořádání, funkce: Společné pouzdro I2I2 I1I1 Proudový přenos I 2 /I 1 Linearita Oddělovací napětí (U max  5 kV) Mezní kmitočet Parametry:


Stáhnout ppt "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6. Optoelektronické součástky (Detektory a generátory záření) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."

Podobné prezentace


Reklamy Google