Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
OptoelektronikaZdroje
Detektory
Systémy
Optoelektronické součástky využívají interakce zářenía elektricky nabitých částic v polovodičích
Optoelektronika
1839 E. Becquerel - Fotovoltaický jev 1873 W. Smith - Fotovodivost selenu1954 Chapin, Fuller, Pearson - Solární článek s pn přechodem1962 Pankove, Berkeyheiser - GaAs LED1962 R. N. Hall, Nathan, .... - GaAs LASER1962 N. Holonyak... - GaAsP červený LASER1963 H. Kroemer, Alferov - návrh LASERu s heteropřechodem1963 Allen - GaP červená LED1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda
energie fotonu h = 6.63x10-34 Js Planckova konstantaν [s-1] kmitočetc [ms-1] rychlost světlaλ [m] vlnová délkam0 [kg] klidová hmotnost
Dualismus vlna-částice (de Broglie 1924)
světlo elektromagnetické částice - fotonvlnění
λν hchE ==
elektron částice de Broglieho vlna
hybnost fotonumcpmcE == 2λ
ν hc
hp ==
pcE =
vlnová délka m [kg] hmotnost částicev [ms-1] rychlostmv
hph==λ
z teorie relativity
λν chhW ⋅=⋅=Planckův zákon
λ (μm)λ (μm)vlnočet (cm-1)
1eV 0.2eV0.4eV3eV 2 W(eV) W(eV)
počet vln na 1 cm
- elektromagnetické vlny s vlnovou délkou λ- množství fotonů (kvant) o energii W
Záření
Čím kratší je vlnová délka fotonu, tím větší je jeho energie.
Mechanismy generace a rekombinace nositelů náboje v polovodiči
zářivá nezářivá Augerova
k
E
k = 0
Δk = 0
ΔE = ħω
k
E
k = 0
polovodiče s přímýmzakázaným pásem
polovodiče s nepřímýmzakázaným pásem
vysoká injekcenositelů náboje
k
E
k = 0
Δk ≠ 0Et
musí být dodrženy zákony zachování energie a hybnosti
Wg
Interakce záření a polovodiče
W > Wg ⇒ ABSORPCE (fotoelektrický jev-vnitřní)
V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnovádélka je kratší než ABSORPČNÍ HRANA
];[24,1 eVmWg
μλ ≤
1921 – Nobelova cena za fyziku A.Einstein– objev fotoelektrického jevu (vnějšího)
Aplikace: FOTODETEKTORY, SLUNEČNÍ ČLÁNKY
Wg
Interakce záření a polovodiče
W > Wg ⇒ ABSORPCE (fotoelektrický jev)
Absorpční hrana (T=300 K) :
Ge: λ = 1.5 μm Wg = 0.84 eVSi: λ = 1.1 μm Wg = 1.12 eVGaAs: λ = 0.85 μm Wg = 1.42 eV
Pro danou vlnovou délku musíme vybírat detektor podle materiálu!
Pro delší vlnovou délku je polovodič průhledný (neabsorbuje).
Závislost absorpčního koeficientu vybraných polovodičů na vlnové délce záření
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)
];[24,1 eVmWg
μλ ≈
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 (má shodnou vlnovou délku i fázi)
Aplikace: LASER (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation)
Zdroje a detektory zářeníFOTONOVÁ VAZBA
zdroj - detektor
Útlum v optických kabelech
Elektrony a díry injekované propustně polarizovaným přechodem PN navzájem rekombinují ⇒ spontánní emise
Zdroje nekoherentního záření
+ -
Ucc
R = (Ucc – ULED) / IF
ULED
IF
Spektrum generované zářivou rekombinací
Ene
rgie
EIn
tenz
ita lu
min
esce
nce
Polovodičové materiály pro optoelektroniku- přímý polovodič- vhodná šířka zakázaného pásu
- využívají se směsné polovodiče prvků III a V skupiny- několikanásobně vyšší cena materiálu oproti Si
R= r np
rychlost rekombinace je úměrná počtu elektronů ve vodivostním pásu a počtu neobsazených míst ve valenčím pásu
v rovnováze:
r – koeficient úměrnosti
Gth= Rth= r n0p0 = r ni2
v nerovnovážném stavu (při injekci, osvětlení) se koncentrace nositelů zvýšína hodnoty n = n0+Δn a p = p0+Δp, čímž dojde ke zvýšení rekombinace:
( )( )ΔppΔnnrrnpR ++== 00
)n(np r- = np r- p n r = R- G = dt
n di00th2−
ΔČasová změna koncentrace nosičů je dána rozdílem mezi G a R:
Přímá (mezipásové) rekombinace
(slabá injekce)polovodič typu P: p0 >> n0 > Δn = Δp
τ n0
n- = n p r- = dt
ndGR ΔΔ
Δ=−
nt/e)Δn(Δn τ−= 0
t
Δn,Δp
Δn(0)
Doba života minoritních nositelů náboje
Doba života minoritních nosičů
)n(np r- = dt
ndi2−
Δ
0
1prn =τ
rozsah hodnot od ms po ns
ZDROJ - krátká doba života
DETEKTOR - dlouhá doba života
Požadavky:
Zvýšení účinnosti rekombinace využitím heteropřechodu (kvantové jámy)
Propustně polarizovaný PN přechod Propustně polarizovaný PN přechods kvantovou jámou
Heteropřechodspojení dvou polovodičů s odlišnou pásovou strukturou
GaAs GaAsInAs
R ~ n.p
Svítivka - LED Light Emitting Diode
Materiál Barva světla/záření Vlnová délka [nm]
Úbytek napětí@IF=20mA [V]
SiC, GaN Modrá 450 3,6
GaP Zelená 565 2,2
GaAs0,15P0,85:N Žlutá 585 2,1
GaAs0,35P0,65:N, GaAs0,6P0,4, GaP:Zn-O Červená 635 2,0
SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu
Bílá 450 – 6504500K*
3,6
GaAs:Si Infračervené záření 820 / 900 / 950 1,5
LEDaplikace
Materiál Barva světla/záření
Vlnová délka [nm]
Úbytek napětí@IF=20mA [V]
SiC, GaN Modrá 450 3,6
GaP Zelená 565 2,2
GaAs0,15P0,85:N Žlutá 585 2,1
GaAs0,35P0,65:N, GaAs0,6P0,4, GaP:Zn-O
Červená 635 2,0
SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu
Bílá 450 – 6504500K*
3,6
GaAs:Si Infračervenézáření
820 / 900 / 950 1,5
RB=(Uout–UBE)/IB=(Uout–UBE)·h21E/IC=(5 – 0,7) ·100/0,02 = 21,5 kΩ
volíme 22 k
IC = ILED = 20 mAIB
Ioutm
Uout
IC
+5VPříklad: zelená LEDIoutm = 5 mA@5V, h21E=100, RC=?, RB =?
RB=?
UBE
RC=?+5V
RC = (UCC – UCEsat - ULED) / ILED == (5 – 0,2 – 2,2) / 0,02 = 130 Ω
ULED
katalog
Bílá LED s luminiforem
Bílá LED Materiál Barva světla/záření
Vlnová délka [nm]
Úbytek napětí@IF=20mA [V]
SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu
Bílá 450 – 6504500K*
3,6
Dichromatická LED
LASER Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation
Podmínky činnosti:1. Existence aktivního prostředí, kde nastává stimulovaná emise.
2. Existence kladné zpětné vazby
3. Zajištění inverzního obsazení hladin
TkWW
nn
⋅−−
≈)(exp 12
1
2
Normální obsazení:n2
n1
W2
W1
Inverzní obsazení (n2>n1)
⇒ stim. emise převáží nad absorpcí
Polovodičový LASER - Metody zvýšení účinnosti
planárněmikropáskový kontakt
lokalizace injekovaných elektronů a děr
vertikálnědvojitá heterostrukturakvantová jáma/tečka
Polovodičový LASER W-A charakteristikaW
att-a
mpé
rová
char
akte
ristik
a
propustný smpropustný směěr r !!!!!!
Průrazné napětí je minimální!
LASER AplikaceDatové přenosyvlnové délky 0.85, 1.3 a 1.55 μm
Paměťová média (CD)
Polovodičový LASERs vertikálním vyzařováním VCSEL
• Llibovolný tvar a plocha• možnost 2-D integrace• nízký prahový proud• snadné pouzdření• malá divergence svazku
DistributedBragg
Reflector
Distributed Bragg Reflector
dopadající vlna
odražená vlna
λ/4 vlna s vlnovou délkou λ/4rovnou tloušťce vrstvy se odrazí v protifázi
λ
Detektory záření - fotodioda
Wg
Záření o energii h⋅ν > Wg je absorbováno v OPN
OPN svým elektrickým polem separuje elektrony a díry
VZNIKÁ FOTOPROUD
Detektory záření - Fotodioda
foton foton foton
OPN
princip – oblast prostorového náboje přechodu PN slouží k separacigenerovaných párů elektron-díra
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.5
0.0
0.5
1.0
WV
WC
NP+
OPN
+
+
- -
-
+
-
hνhν
Ene
rgie
(eV
)
Poloha (μm)
Detektory záření - fotodiodaZáření absorbováno v OPN s velkou intenzitou elektrického pole
OPN je široká ⇒ parazitni kapacita je malá ⇒ odezva je rychlá
OPN je široká ⇒ parazitni kapacita je malá ⇒ odezva je rychlá
Fotodioda
Závěrné napětí (V)
C50 mm2
10 mm2
5 mm2
1 mm2
Parazitni kapacita klesá s rostoucím UR ⇒ rychlost odezvy roste
Fotodioda - fotovodivostní režim
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
10
20
30
Prou
d (μ
A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Inte
nsita
ozáře
ní
(mW
.cm
-2)
5
4
3
2
0
Rz
Ik
U0
=Ucc
Rz
Uvýst
Se změnou intenzity dopadajícího záření se měnínapětí Uvýst na fotodiodě.
Fotodioda - fotovodivostní režim
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
10
20
30
Prou
d (μ
A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Inte
nsita
ozáře
ní
(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 citlivostnižší kapacita ⇒ vyšší rychlost
Fotovodivostní režim - zapojení
0 .0 0 .1 0.2 0.3 0.40
10
20
30
Prou
d (μ
A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
00.0 0 .1 0 .2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Inte
nsita
ozáře
ní
(mW
.cm
-2)
5
4
3
2
0
Rz
Ik
U0
=Ucc
Rz
Uvýst
Fotodioda se chovájako zdroj proudu závislýna osvětlení
Fotovoltaický režim – 4.kvadrant
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
10
20
30
Prou
d (μ
A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Inte
nsita
ozáře
ní
(mW
.cm
-2)
5
4
3
2
0
Ish
U0
FOTOVOLTAICKÝ REŽIM
PROPUSTNÝ SMER
-30
-20
-10
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
Ropt
Ropt
V obvodu není zapojen žádný zdroj ⇒ za tmy neteče proud!⇒ vhodné pro měření nízkých intenzit záření
Na PN přechodu nulové čí propustné napětí ⇒ velká kapacita OPN⇒ nízká rychlost odezvy
Fotodioda se chová jako zdroj ⇒ sluneční články
Fotovoltaický režim – sluneční článek
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
10
20
30
Prou
d (μ
A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Inte
nsita
ozáře
ní
(mW
.cm
-2)
5
4
3
2
0
Ish
U0
FOTOVOLTAICKÝ REŽIM
PROPUSTNÝ SMER
-30
-20
-10
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Prou
d (μ
A)
Ropt
Ropt
+
-
dioda brání vybíjeníbaterie
Fotovodivostní vs. fotovoltaický režim
Fotovodivostní režimpoužijeme, pokud
je prioritou maximální rychlost
Fotovoltaický režimpoužijeme, pokud
je prioritou nízký šumnebo energetická účinnost
Spektrální charakteristika slunečního záření
Výkon dopadající na Zemi 1.37 kW/m2
Typy fotovoltaických (FV) článků
• FV články na bázi mono(poly)krystalickéhokřemíku (1. generace), pokrývají 85% trhu, stále se vyvíjí a zvyšuje se účinnost (až na 19,3%); maximální účinnost stanovena Shockley-Queisserovým (SQ) limitem na 33,7%.
• FV články využívající tenkých absorpčních filmů polovodičů, barvivem zvýšená citlivost nanočástic oxidů nebo také vodivé polymery; samotná polovodičová vrstva je mnohonásobnětenčí
• FV fólie z mnoha vrstev prvků, kde PN přechod tvoří nanotechnologiemi vytvořenávrstva (tzv. inkoust) obsahující např. měď, indium, galium a selen
• Články na bázi nanostruktur a kvantových teček, díky kterým lze zefektivnit vnitřníkvantové procesy
Křemíkové články
Výhody• Zvládnutá výroba• Velmi levné• Odolné
Nevýhody• Nižší účinnost• Energetická náročnost
• Nejrozšířenější typ FV článku• Existence několik desítek let
Mnohovrstevné článkyJeden ze způsobů jak zvýšit účinnost je konstrukce s kaskádovitým upořádáním více vrstevného článku z různých polovodičových sloučenin s různými velikostmi zakázaných pásů
Výhody- Snižována tepelná ztráta způsobená
ochlazováním horkého nosiče díky fononové emisi
- Spektrum absorbovaných fotonů je výrazně vyšší – vyšší účinnost
Nevýhody- Velmi drahé typy článků (používané např.
v družicích - nemají šanci prorazit na trhu- Limitem účinnosti nekonečně mnoha
vrstev perfektně přizpůsobených slunečnímu spektru je 66% (u koncentrátorových článků až 86%)
Vývoj účinnosti slunečních článků
Koncentrátorové systémy