FAKULTET POLITEHNIKIH NAUKA ELEKTROTEHNIKA TELEKOMUNIKACIJE

Osnovi fotoelektronskih komponenataSEMINARSKI RAD

Predmet:Elektroniki elementi i sklopoviMentor: Student:dr sci. Miladin juroevi Keranovi EnisAsistent: PT-140/14-II V.asist Alija Jusi

Mart 2015.

SADRAJ1.UVOD32. FOTODIODA43. FOTOTRANZISOTRI64. FOTOGENERATOR75. SVIJETLEE DIODE ( LED)86. OPTOKAPLER97. POLUPROVODNIKE LASERSKE DIODE108. ZAKLJUAK139. LITERATURA14

1.UVOD

U dananje vrijeme prenoenje signala se vri kombinovano pomou struje i svijetlosti.Nauka ili tanije dio elektronike koji se bavi prouavanjem ove problematike naziva se optoelektronika ili fotoelektronika.Fotoelektronske poliprovodnike komponente pretvaraju svjetlostnu energiju u elektrinu ili vre obrnutu transformaciju.Postoji vie teorija o prirodi svijetlosti, od one koja kae da je svijetlost kretanje estica emitovanih iz izvora svjetlosti (Njutnova - Isaak Newton), zatim teorija da je svjetlost mali dio irokog spektra elektromagnetnih talasa (Maksvelova - D.Maxwell).Svjetlost je elektromagnetno zraenje koje ima talasno - korpuskularnu prirodu. Opseg talasnih duina svjetlosti ide od 10nm - ultraljubiasti dio spektra, do 106nm - infracrveni dio. Opseg vidljive svjetlosti za ljudsko oko je od 380 nm (ljubiasta boja), do 750 nm (crvena boja). Spektralna karakteristika oka, def. kao subjektivan osjeaj sa kojim oko vidi monohromatsku svijetlost razliitih boja i istog intenziteta,prikazana je na sljedeoj slici:

Slika 1. spektralna karakteristika ljudskog oka

2. FOTODIODA

U elektronici diod je termo-elektronski element koji proput struju smo u jednom smjeru. Kd se ke diod njee se misli n poluprovodnu diodu, postoji i vkumsk dioda. Jedn specijln vrst diode je fotodiod. Fotodiod je vrst fotodetektor, to su senzori koji detektuju svijetlo, koji im mogunost pretvrnj svijetl u odgovrjui npon ili struju. Fotodiode su tkoe sline obinim poluprovodnim diodm.Konstrukcija, simbol i statike karakteristike poluprovodnike fotodiode su dati na slici 1. Kroz stakleni prozor ili soivo, svjetlost pada na PN spoj. Poto se fotogenerisani elektrini i upljine na mjestima dalje od spoja brzo rekombinuju u uslovima velike koncentracije slobodnih nosilaca. N sloj poluprovodnika se pravi kao veoma tanak. Fotoni, kada dospiju u oblast prostornog tovara, stvaraju slobodne nosioce koji se dejstvom jakog polja u toj oblasti razdvajaju tako da upljine idu prema anodi, a elektroni prema katodi. Na taj nain se generie fotostruja srazmjerna intenzitetu svjetlosti. Ova struja je mala i ne moe doi do izraaja pri direktnoj polarizaciji diode. Stoga se fotodiode koriste iskljuivo u reimu inverzne polarizacije s tim da se preduzmu sve konstruktivne mjere da struja zasienja diode, definisana jednainom bude to manja (jae dopiranje, niska radna temperatura fotodiode postignuta hlaenjem i slino). Struja zasienja fotodiode se naziva i struja mraka, kriva (a) na slici 1. Prema tome, struja fotodiode ima dvije komponente: fotostruju lf i struju kroz PN spoj ostvarenu dejstvom napona polarizacije Zavisnost folostruje od intenziteta svjetlosti je linearna, jer se pri dvostrukoj jaini svjetla generie dvostruko vei broj slobodnih nosilaca putem apsorpcije fotona.

Slika 2. fotodiodaU cilju poveanja brzine odziva na promjene intenziteta svjetlosti, fotodiode se kostruiu sa ubaenim slabo doniranim slojem poluprovodnika ' izmeu P i N oblasti, slika 1 . Time se dobiva mala kapacitivnost prostornog tovara, jer se on rairi preko cijelog osiromaenog sloja poluprovodnika. Tako konstruisane fotodiode se nazivaju PN fotodiode.Fotodiode daju malu fotostruju, nekoliko stotina mikroampera pri jaini svjetlosti reda o,1 1m/cm2.Poveanje struje kroz poveanje povrine PN spoja je neprihvatljivo zbog porasta kapacitivnosti koja usporava rad fotodiode. Uveanje fotostruje se moe postii inverznom polarizacijom diode tako, da ona ue u oblast lavinskog proboja, odnosno da se aktivira lavinski efekat. Time se svaki fotoelektron umnoava M puta, ali zavisnost struje od jaine svjetlosti nije vie linearna. Na opisanom principu rade lavinske fotodiode, koje predstavljaju najoseitljiviji fotonaponski element. Njihova brzina rada je neto manja u odnosu na PIN fotodiodu zbog vremena potrebnog za multiplikaciju nosilaca. Meutim, poto daje veu struju, lavinsku foiodiodu je mogue opteretiti manjom otpornou potroaa sa koga se detektuje korisni signal. Kako je minimalni prihvatljiv nivo korisnog signala unaprijed odreen. Kako je minimalni prihvatljiv nivo korisnog signala unaprijed odreen slijedi da e lavinska fotodioda raditi sa manjom vremenskom konstantom od PIN fotodiode, a to znai da e imati veu brzinu odziva na promjene intenziteta svjetlosti.Spektralna karakteristika fotodiode pokazuje zavisnost njene struje od talasne duine svjetlosti konstantnog intenziteta. Njen oblik se odreuje izborom vrste materijala poluprovodnika prema potrebnom energetskom procjepu E za dobijanje najvee osjetljivosti na odabranu vrstu u svjetlosti. Posebno su interesantne infracrvene fotodiode za detekciju toplih objekata u prirodi, koji emituju infracrvene zrake.

Slika 3. grafiki simboli fotodiode

3. FOTOTRANZISOTRI

Fototranzistori su bipolarni tranzistori koji koriste apsorpciju svjetlosti za generisanje slobodnih nosilaca kao i fotodiode, s tim da se pomou mehanizma strujnog pojaanja, pri istoj jaini svjetlosti dobija se vea kolektorska struja od struje fotodiode. Naime, inverzno polarisani kolektorski spoj se izlaze dejstvu svjetlosti. Generisana fotostruja dospijeva u bazu fototranzistora i daje 3 puta veu struju kolektora, ako postoji spoljni napon izmeu kolektora i emitora koji inverzno polarie kolektorski spoj. Ovaj napon je nuan da obezbjedi radne uslove tranzistora u kojima on posjeduje dovoljno veliko strujno pojaanje B- Da bi ukupna kolektorska struja bila proporcionalna intenzitetu svjetlosti i da bi se izbjeglo njeno maskiranje, fototranzisior se ne polarie spoljnom baterijom u kolu baza - emitor. Na taj nain, u mraku struja fototranzisiora je jednaka struji curenja izmeu kolektora i emitera, a to znai da se moe zanemariti. Kada se koletorski spoj osvijetli, fotostruja pobuuje bazu tranzistora, U cilju dobivanja to vee kolektorske struje, treba usmjeriti cijelokupnu fotostruju u bazu, to se lako postie ostavljanjem baznog prikljuka da bude slobodan. Prema tome. fototranzisior se korist polarisan kao za rad u aktivnom reimu, ali sa neprikljuenom bazom.Da bi se dobila to vea kolektorska struja za odreen intenzitet svjetlosti, treba osvijetliti to veu povrinu kolektorskog spoja, to sa druge strane poveava njegovu kapacitivnost i usporava rad tranzistora. U cilju poveanja brzine odziva na promjenu intenziteta svjetlosti funkcija brzog fototranzistora se moe postii vezivanjem katode PIN fotodiode na kolektor i anode na bazu standardnog bipolarnog tranzistora. Na taj nain bri fotonaponski element pobuuje standardni bri tranzistor.Treba istai da je zavisnost kolektorske struje folotranzistora od jaine svjetlosti znatno nelinearni nego kog fotodiode, zbog nelinearne zavisnosti koeficijenta strujnog pojaanja od veliine struje kolektora. Pored bipolarnog, postoje i fotofet tranzistori. Kod njih se PN spoj gejt-kanal izlaze dejstvu svjetlosti koja generise fotostruju gejta. Fotofet se koristi polarisan sa dvije baterije tako, da radi u reimu zakoen ja kada nema svjetlosti. Pri tome se na red sa baterijom, koja inverzno polarie spoj gejt-sors, mora staviti otpornik na kome e fotostruja gejtu stvarati suprotan pad napona u odnosu na bateriju.[footnoteRef:2] [2: Stojan Ristic - Elektronske komponente 2010]

4. FOTOGENERATOR

Fotogenerator stvara elektromotornu silu pod uticajem svijetlosti. To je ustvaru fotodioda koja nije prikljuena na spoljani izvor napajanja.Pod dejstvom ugradjenog polja u prelaznoj oblasti p-n spoja, svijetlou generisani elektroni iz prelazne i p-oblasti prei e u n-oblast, a upljine iz prelazne i n-oblasti u p-oblast. Uslijed prelaska ovih nosilaca naruit e se ravnotea, anoda e se naelektrisati pozitivno, a katoda negativno. Aako spojimo krajeve(anodu i katodu), potei e struja, to znai da se ovakva dioda ponaa kao generator elektrine energije. Tj. ovakva dioda, koja se esto zove solarna elija, pretvara sunevu energiju u elektrinu. Paralelnim i rednim vezivanjem veeg broja solarnih elija dobijaju se solarni paneli dovoljno velike elektrine energije da mogu da napajaju manje potroae.

Slika 4. opis foto elija i solarnih panela

Danas se intenzivno radi na poboljanju karakteristika fotogeneratora,odnosno solarnih elija. Postignuti su izuzetno dobri rezultati, pa se u mnogim dijelovima svijeta,gdje ima dosta sunanih dana,velikim solarnim panelima koji sadre veliki broj solarnih elija,a koji se i kompjuterski upravljaju tako da na njih uvijek pada najvie svijetlosti,dobijaju relativno velike koliine energije.

Slika 5. primjeri solarnih elija5. SVIJETLEE DIODE ( LED)

Svijetlea dioda,koje se jos naziva i LED( LIGHT-EMITING DIODE) ili fotoluminiscentna dioda,vri obrnuti proces: elektrinu energiju,tj elektrini signal pretvara u svijetlosnu energiju.LED diode rade na nain da u elektron u valentnoj zoni ima manju energiju od elektrona u provodnoj zoni za veliinu irine zabranje zone Eg . Ako je mogua rekombinacija direktnim prelaskom elektrona iz provodne u valentnu zonu, a kod svijetleih dioda se biraju upravo takvi poluprovodniki materijali koji to omoguavaju, oslobadja se tom prilikom energija ija je vrijednost jednaka Eg. Ova energija se pretvara u foton svijetlosti energije hf=Eg. LED diode se prave od materijala sa energetskim procjepom izmeu (1,7 - 3,5) eV. Najee se koriste galijfosfid, (GaP, AW = 2,3 e V) zelene boje i galijarsenidfosfid (GaAsP, AW = 2 eV), nijansa crvene boje. LED dioda emituje nekoherentnu svjetlost, to znai da emitovani fotoni imaju razliite talasne duine, faze i polarizacije.

Slika 6. LED diodaSto se tie brzine odziva, svjetlee diode su sporije od standardnih dioda zbog vee kapacitivnosti PN spoja ije su dimenzije vee da bi svjetlea povrina bila dovoljno velika. LED diode se koriste kao izvor svjetlosti ija se efikasnost defnie kao odnos energije emitovane svjetlosti i uloene elektrine energije. Koriste se kao indikatori kada emituju vidljivu svjetlost na komandnim tablama u avionima, brodovima. Koriste se i kao pretvarai elektrinog signala u svjetlost za potrebe prijenosa signala kroz optike kablove u telekomunikacijama. Svjetlea dioda se ugrauje u metalizirana ili plastina kuita, najee cilindrinog oblika, pri emu je povrina s gornje strane providna (najee staklo, a moe i plastika). Ponekad se na gornjoj povrini ugrauje soivo ili optiki filter za promjenu svjetlosti.[footnoteRef:3] [3: Stojan Ristic - Elektronske komponente 2010]

6. OPTOKAPLER

Optokapler je sloen poluprovodniki optoelektroniki element koji predstavlja kombinaciju LED diode i fototranzistora i slui za prijenos elektrinog signala izmeu galvanski razvodjenih elektrinih kola. Ovaj prijenos se ostvaruje pretvaranjem elektrinog signala (struje) u svjetlosni i obrnuto. Na slici slijedeoj slici predstavljena je izvedba optokaplera.

Slika 7. primjer optokaplera

Elektrini signal se dovodi na ulaz (izmeu anode i katode), LED diode. Proticanjem struje kroz LED diodu izaziva se emisija svjetlosnog fluksa, koji je proporcionalan intenzitetu struje koja protie kroz LED diodu. Svjetlosni fluks je fokusiran u bazu fototranzistora Tf, tako: ako su izvodi fototranzistora (kolektor, emiter) povezani preko potroaa, u izlaznom kolu protie struja proporcionalna svjetlosnom fluksu, tj. ulaznom signalu. Dakle, izmeu ulaznog i izlaznog kola ne postoji galvanski kontakt, ve samo optika veza. Zavisnost struje fototranzistora nije linearna u odnosu na ulaznu struju i mijenja se sa nivoom pobude. Zato se optokapleri koriste u digitalnim kolima za prijenos informacije, tj. signala 1 i 0. Brzina odziva, kao parametar optokaplera, moe se postii upotrebom PN fotodiode za pobudu tranzistora. Rad ovih elemenata ogranien je veliinom probojnog napona izmeu diode i fototranzistora, a ogranienje osobinama materijala za izolaciju.Optokapleri se nazivaju i optiki izolatori, naime (optocoupler engl. optika spojnica), ili optoelektronski izolatori. Konstruktivno, LED dioda i fototranzistor se stavlja u zajedniko kuite, tako da se izmeu njih stavljaju provodni izolacioni materijali (staklo ili plastika) koji omoguuju prolazak svjetlosti, a u isto vrijeme je ostvareno i galvansko povezivanje ovih elemenata.

7. POLUPROVODNIKE LASERSKE DIODE

Poluprovodniki laseri predstavljaju praktino jednu od najbitnijih optoelektrnosnikih naprava,koje se koriste u optikim fiber komunikacijama, kao i u optikom skladitenju podataka u nizu aplikacija u mnogim oblastima.

Slika 8. laserske diode u razliitim kuitima

Veina laserskih dioda male snage inkapsulirana su u kuita tranzitorskog tipa, a drugi (manjinski) dio ima kuita drugih oblika, sa razliitim talasnim duinama svijetla koje emituju (oko 670 nm za crveno podruje spektra). Laserske diode koje se koriste u optikim komunikacijskim sistemima ugradjuju se u kuita koja na prozoru imaju ugradjen (nalijepljen) svijetlovod. Na slijedeoj slici je prikazano poredjenje veliine laserskih dioda sa drugim predmetima.

Slika 9. prikaz dimenzija laserskih dioda

Slika 10. prikaz inkapsulirane laserske diodeSlika 10. prikazuje dijelove diodnog lasera.Okruglo kuite zatvoreno je hermetiki. Sa prednje strane (gore) ima tanki stakleni prozor kroz koji prolazi laserska svijetlost, a sa zadnje strane tri elektrina kontakta (noice). U kuitu se nalazi ne samo laserski ip mikronskih dimezija, priblino 0,5 x 5 x 300 m (desni gornji ugao na slici, strelice oznaavaju snopove svijetlosti), nego i jedna integrisana fotodioda, takodjer mikronskih dimenzija. Ona slui za praenje intenziteta svijetla lasera koje dolaze iz zadnjeg ogledala laserske diode. Ova fotodioda, u principu omoguuje kontrolu snage i talasne duine zraenja lasera optoelektronskom povratnom vezom, preko odgovarajueg sklopa koji je dio elektronike za napajanje diode.Vana karakteristika lasera,koja ga razlikuje od ostalih izvora svijetlosti je emisija strogo definisanih snopova monohromatske svijetlosti. Sam princip rada laserske diode je slian radu svijetlee diode,ali za razliku od LED kod koje svijetlost nastaje uslijed spontane emisije, kod laserskih dioda svijetlost je rezultat procesa stimulisane emisije. Drugim rijeima kod lasera se sreemo terminom stimulisana emisija, jer i sam naziv laser potjee od rijei: LIGHT AMPLFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION, to znai:pojaavanje svijetlosti stimulisanom emisijom zraenja. Stimulisana emisija nastaje kada kod direktno polarisane diode pored emisije fotona (spontana emisij) dolazi do stvaranja fotonske lavine, tj kada svaki ovako stvoreni foton uzrokuje stvaranje drugih fotona koji imaju iste optike osobine (frekvenciju, smijer, stanje polarizacije).Kod laserske diode se p-n spoj nalazi u optikoj upljini koju ine kristalne ravni po kojima je kristal sijeen, tako da fotoni nastali stimulisanom emisijom doivljavaju viestruke refleksije unutar ovog rezonatora. Ako pojaanje emisije svijetlosti uspije da kompenzuje gubitak fotona uslijed apsorpcije i difuzije iz p-n spoja, moe se pojaviti laserski efekt,odnosno laserska emisija.[footnoteRef:4] [4: Stojan Ristic - Elektronske komponente 2010]

Slika 11. ilustracija laserske emisijeLaserske diode proizvode se od poluprovodnika sa takozvanim direktnim prelazom nosilaca iz provodne u valentnu zonu, u koje ne spada silicijum. To su jedninjenja iz III i V ili iz II i VI grupe periodnog sistema. I ne samo to, ve se p-n spoj formira kao heterospoj, a to znai da je takav spoj sainjen od razliitih poluprovodnikih jedinjenja.

8. ZAKLJUAK

Iz ovog seminarskog rada nauili smo da se prenoenje signala vri kombinovano pomou struje i svijetlosti.Ta nauka se naziva optoelektronika. Nauili smo da je svjetlost elektromagnetsko zraenje koje je vidljivo ljudskom oku. Ljudsko oko u prosjeku moe vidjeti svjetlost s valnom duljinom u rasponu od 390 do 750 nm.Objasnjene su osnove i princip rada osnovnih fotoelektrnskih komponenata,tj: fotodiode,fototranzistora,fotogeneratora,led diode i poluprovodnike laserske diode.

9. LITERATURAStojan Ristic - Elektronske komponente 2010Dipl. el.in. Alija Digal Elektronika za drugi razred, Sarajevohttp://hr.wikipedia.org/wiki/Svjetlost

3