Uvod u Opticke Komunikacije

1. UVOD U OPTIČKE KOMUNIKACIJE

U drugoj polovini XX vijeka je uslijed razvoja poluprovodničke tehnologije došlo do razvoja novih sistema prenosa svjetlosnih signala. Takođe je došlo do razvoja tehnologija proizvodnje optičkih vlakana i prateće pasivne i aktivne opreme.

Svjetlosni zraci se prenose kontinualnim svetlovodima koji su načinjeni od plastike ili stakla (SiO2). Pošto je materijal za izradu svetlovoda dielektrik, ne postoji uticaj elektromagnetnog polja, kao ni uticaj radio frekventnog polja. Težina poluprovodničkog materijala za ove primjene je manja od težine bakra, te je i to doprinijelo proširenju upotrebe svjetlovoda za prenos informacija. Ograničavajući faktor daleko šire primjene optičkih komunikacija je trenutna cijena svjetlovoda i linijske opreme potrebne za njeno implementiranje u komunikacione mreže.

Istorijat i razvoj optičkih komunikacija

Prvi naučni pokušaj provođenja svjetlosti kroz dielektrik je 1870. godine izveo J. Tyndall, propuštajući svjetlosni zrak kroz mlaz vode. Krajem 1880. godine je A.G.Bell patentirao i prikazao rad fotofona, uređaja načinjenog od sistema ogledala i prizmi kojim se prenosio ljudski glas na daljinu. U drugoj polovini XIX veka su J. Maxwell i M. Faraday ukazali na mogućnost korišćenja cijelog spektra talasnih dužina svjetlosti u optičkim komunikacijama, zasnivajući svoju teoriju na dualnoj prirodi svjetlosti. Istraživanja koja su vodili D. Hondros i P. Debey su 1910. godine dovela do rješavanja Maxwell-ove jednačine za slučaj prostiranja svjetlosti duž cilindričnog dielektričnog štapa.

Staklene šipke, kao svjetlovodi, počele su se koristiti 1950. godine, a Van Heel je 1954. godine predložio prevlačenje staklenih šipki omotačem od stakla kako bi se smanjilo rasipanje provođene svjetlosti i smanjio uticaj spoljašnjih izvora svjetlosti. Ovakav svjetlovod predstavlja preteču optičkog vlakna, čiji je tvorac bio N. Kapany 1956. god. koji je i dao naziv "optičko vlakno".

Kratka istorija prijenosa podataka: brzina i kapacitet

1956. prvi transatlantski kabel (simultano: 36 razgovora)

1960. 5 000 000 razgovora/godina

1970. Prvi poluvodički laser kontinuiranog djelovanja pri sobnoj temp., Z. Alferov (IOFFE, St. Petersburg)

1977. AT&T GaAs poluvodički laser kontinuiranog djelovanja na 850 nm s prijenosom signala kroz optički kabel: 45 Mb/s

1980. 200 000 000 razgovora/godina

1986. GaAs poluvodički laser kontinuiranog djelovanja na 1.3 microna s prijenosom signala kroz optički kabel:400 Mb

1988. Prvi transatlantski (isključivo) optički kabel

Saobraćajni fakultet Doboj 1

OPTIČKE KOMUNIKACIJE

1993. GaAs poluvodički laser kontinuiranog djelovanja na 1.3 microna s prijenosom signala kroz optički kabel: 10 Gb/s

Prednosti i mane optičkih komunikacija

Optička vlakna su pokrenula razvoj grane industrije vezane za fiber optičke komunikacje, počevši od proizvođača optičkih vlakana, preko kablovske industrije do proizvođača aktivnih i pasivnih komponenti i proizvođača prateće opreme za komunikacione sisteme.

Prednosti primjene optičkih vlakana su: malo podužno slabljenje (0,18 - 0,45 dB/km SM i 3,5 -1,0 dB/km MM) veliki propusni opseg (0,16 - 20 GHzxkm) imunost na smetnje tipa EMI imunost na smetnje tipa RFI bezemisioni protok informacija nemogućnost nedestruktivnog ometanja i prisluškivanja nepostojanje problema neadekvatnog uzemljenja male dimenzije mala težina

Mane primjene optičkih vlakana:

visoka cijena kablova, linijske opreme i pratećeg alata i pribora osjetljivost na mehanička dejstva

Komponente fiber optičke komunikacione mreže

Svaka fiber optička komunikacona mreža, bez obzira na namjenu sastoji se od tri dijela:

optički predajnik, koji pretvara električni signal u svjetlosni zrak optičko vlakno, kao prenosni medijum optički prijemnik, koji pretvara svetlosni zrak u električni signal

Blok šema optičke komunacione mreže je predstavljena na sl. 1.

Sl.1. Konfiguracija fiber optičke komunikacione mreže.



Poluprovodnici

Sve elektronske komponente se mogu podijeliti u dvije skupine s obzirom na njihovo djelovanje prema ulaznom signalu i to su:

pasivne komponente su one komponente koje u svojoj prelaznoj funkciji nemaju pojačanje, odnosno to su komponente koje smanjuju (slabe) ulazni signal za određenu vrijednost u odnosu na izlazni signal. To slabljenje se naziva atenuacija.

aktivne komponente u svojoj prelaznoj funkciji imaju pojačanje. Pojačanje se odnosi na pojačanje snage, struje, napona itd.

Sopstveni poluprovodnički materijal ima kristalnu rešetku koja se sastoji samo od atoma jednog elementa bez primjesa ostalih elemenata. U čistom (intrinsic) kristalu koncentracije slobodnih elektrona i šupljina su međusobno jednake.

Silicijum je četverovalentan materijal jer u vanjskoj nepopunjenoj ljusci sadrži četiri elektrona. Silicijum ima redni broj 14, atomsku masu 28,0855, atomski radius ra =117,610-12 m, dok je naboj popunjenih ljuski 10.

Koncentracija atoma kod silicijuma iznosi (otkrio ga je Jons

Berzelius 1824 god). Čist kristalni silicijum loš je provodnik električne struje ali mu provodnost

raste s porastom temperature. Silicijum je tipičan poluprovodnik. Provodnost se povećava dodatkom malih količina elemenata III.B i V.B grupe periodnog sistema - u prvom redu bora, galija, fosfora i arsena.

Germanijum je četverovalentan, ima redni broj je 32, atomsku masu 72,61, atomski radius ra = 122,510-12 m, naboj jezgre +32 a naboj popunjenih ljuski -28. (Otkrio ga Clemens Winkler 1896 god).

Elementi su prikazani u Mendeljejevom sistemu elemenata.

Saobraćajni fakultet Doboj

III A IVA VA10,811

5

BBor26,9815

13

AlAluminijum

28,08614

SiSilicijum

30,973815

PFosfor

69,7231

GaGalijum

72,5932

GeGermanijum

74,92233

AsArsen

114,8249

InIndijum

121,7551

SbAntimon

3


Svaki atom se sastoji od jezgre koja u sebi ima pozitivan naboj, a oko jezgre se kreću elektroni sa negativnim nabojem. Putanje po kojima se kreću elektroni nazivaje se ljuskama. Da bi atom u električnom smislu bio neutralan, broj elektrona u ljuskama atoma, sa svojim negativnim nabojem, mora biti jednak pozitivnom naboju jezgre. Najviši energetski nivo ima vanjska ljuska atoma, koja nosi naziv valentna ljuska.

Pošto su elektroni materijalne čestice, koje imaju odgovarajuću masu, krećući se unutar ljuski atoma, imaće odgovarajuću kinetičku energiju. Što je ta energija manja, zbog privlačne sile pozitivno nabijene jezgre, elektron će kružiti unutar ljuske koja je bliže jezgri atoma. To znači da će elektroni sa manjom energijom biti bliže jezgri atoma, odnosno na nižem energetskom nivou, a elektroni sa većom energijom će biti dalje od jezgre, odnosno biće na višem energetskom nivou.

Energetske zone

Energetske zone su: provodna zona, čije dno ima energiju nivoa Ec, i valentna zona čiji vrh ima energiju Ev. Provodna zona i valentna zona su odvojene zabranjenom zonom (tzv. energetski procjep), čija je energija EG =Ec-Ev, na čijim energetskim se nivoima ne mogu nalaziti elektroni.

Energetski nivoi kod čvrstih tijela čine tzv. energetske pojaseve (zone – oblasti). Elektroni prelaze iz valentne zone u provodnu zonu. Između tih energetskih zona, nalazi se tzv. zabranjena zona (energetski procjep). Unutar tog procjepa elektron ne može ostati, nego samo prolazi kroz tu zonu kad mijenja energetski nivo. Elektroni u vanjskoj ljusci imaju najveću energiju, zbog čega oni uz malo povećanje nergije lako napuštaju svoju ljusku, prelazeći u vanjsku ljusku drugog atoma.

Valentna veza je veza elektrona vanjskih ljusaka susjednih istih atoma (čisti kristal). Kovalentna veza je veza elektrona vanjskih ljusaka susjednih različitih atoma (veza atoma primjese sa susjednim atomima kristalne rešetke-kristal sa primjesama). Broj elektrona u vanjskoj ljusci atoma određuje tzv. valentnost atoma. Najniži energetski nivo ima valentna oblast.

Primjesni poluprovodnici

Aktivne komponente su poluprovodničke komponente, odnosno komponente koje su napravljene od poluprovodnika koji mogu biti:

P – tipa N – tipa

Ta dva tipa poluprovodnika (P i N) napravljeni su od osnovnih elemenata germanijuma i silicijuma.



N-tip poluprovodnika nastaje kada se četvorovalentnom elementu dodaje peterovalentna donorska primjesa tako da su tada glavni nosioci elektriciteta elektroni. Kada se osnovnom materijalu dodaje trovalentna primjesa dobija se poluprovodnik P tipa.

Peterovalentni atom primjese antimon, arsen veže se sa četverovalentnim atomima sa četri valentne dok peti elektron, peta veza, ostaje slobodan u prostoru između atoma. Pri formiranju ovog tipa poluprovodnika taj peti elektron ostaje određeno vrijeme vezan uz svoj matični atom sa vrlo malom privlačnom silom Fq:

.

Ta privlačna sila nastaje zbog međusobnog djelovanja dva naboja koja se nalaze na rastojanju r. * Privlačna sila zavisi o veličini naboja tijela, a u ovom slučaju se radi o naboju elektrona i jezgre koji su vrlo mali te je i privlačna sila vrlo mala. Ovaj peti elektron se vrlo lako oslobađa privlačne sile od strane svog matičnog atoma što nastaje već pri sobnim temparaturama. Nakon oslobađanja petog elektrona matični atom postaje pozitivan jon .

P–tip poluprovodnika nastaje dodavanjem trovalentne akceptorske primjese četverovalentnom germanijumu ili silicijumu. Atom primjese veže se sa tri veze valentnim elektronima a četvrta veza ostaje prazna i naziva se šupljina. Glavni nosioci elektriciteta kod P tipa poluprovodnika su pozitivne šupljine.

2 . OPTOELEKTRONSKE KOMPONENTE

Optoelektronske komponente imaju mogućnost pretvaranja optičkog zračenja u električnu struju (optoprijemnici tj. fotodetektori), ili pak da pod dejstvom električne struje stvaraju svjetlost i ponašaju se kao izvori svjetlosti (optopredajnici). Rad optoelektronskih naprava zasniva se na optičkim pojavama koherentne i nekoherentne svjetlosti što je problematika optike, elektrooptike i magnetooptike, koje su povezane sa osobinama svjetlosnog fluksa. Obzirom na prednosti i sve veći značaj i primjenu, ovdje će biti riječi samo o poluprovodničkim optoelektronskim komponentama.

Komponente kod kojih se broj slobodnih nosilaca naelektrisanja, a samim tim i intenzitet električne struje (pri konstantnom priključenom naponu) značajno povećava pri osvjetljenju (izlaganju svjetlosnom zračenju), nazivaju se zajedničkim imenom optoelektronski prijemnici. Oni obično nalaze primjenu u mjerenju intenziteta svjetlosti i u konverziji svjetlosnog u električni signal. Neki fotodetektori imaju primjenu u uređajima za detekciju infracrvene svjetlosti pri čemu se detektuje toplotno zračenje ljudskog tijela ili drugih objekata. U osnovi funkcionisanja ovih naprava leži promjena provodnosti materijala sa promjenom intenziteta njegovog osvjetljaja koja se naziva fotoprovodnost.

* Coulmbov zakon



Optičke osobine poluprovodnika

Poluprovodnici u vidljivoj oblasti spektra elektromagnetnog zračenja jako apsorbuju upadno elektromagnetno zračenje određene talasne dužine. Velikom broju kristalnih poluprovodnika je svojstven karakterističan metalni sjaj i po tome se skoro ne razlikuju od metala. Ovakvo svojstvo je uslovljeno velikom moći reflektovanja upadnog elektromagnetnog zračenja sa površine kristalnog poluprovodnika. Druga osobina dovoljno čistih poluprovodnika je vrlo brzo smanjivanje moći apsorbovanja elektromagnetnog zračenja u određenoj oblasti talasnih dužina (bliska ili srednje infra crvena oblast).

Sa povećanjem talasne dužine upadnog elektromagnetnog zračenja iznad talasnih dužina navedene oblasti poluprovodnik postaje providan. Oblast talasnih dužina u kojoj se naglo smanjuje moć poluprovodnika da apsorbuje upadno elektromagnetno zračenje naziva se granicom sopstvene apsorpcije, a ponekada i granicom fundamentalne apsorpcije. Izvan dugotalasne apsorpcione granice kristalni poluprovodnik je providan samo kada je toliko očišćen da je apsorpcija slobodnim nosiocima naelektrisanja zanemarljiva u poređenju sa sopstvenom apsorpcijom. Poluprovodnik sa velikom koncentracijom primjesa je neprovidan u širokoj oblasti spektra elektromagnetnog zračenja - od ultra ljubičaste do oblasti radioučestanosti. Osnovni vidovi apsorpcije u poluprovodnicima se mogu svrstati u nekoliko grupa.

Sopstvena apsorpcija elektromagnetnog zračenja se događa prilikom prelaska elektrona iz vezanog u slobodno stanje, odnosno iz valentne u provodnu energijsku zonu. Ova vrsta apsorpcije je moguća samo kada je zadovoljen sljedeći uslov . Ona se dešava u vidljivoj i bliskoj infracrvenoj oblasti spektra elektromagnetnog zračenja, što zavisi od energije širine zabranjene zone u kristalnom poluprovodniku.

Primjesna apsorpcija se javlja prilikom jonizovanja atoma neutralnih primjesa ili kada elektron neutralnog primjesnog atoma prelazi u provodnu energijsku zonu ili usljed prelaska elektrona iz iz valentne energijske zone na energijski nivo primjesa u kristalnom poluprovodniku.

Apsorpcija slobodnim nosiocima naelektrisanja u kristalnom poluprovodniku je uslovljena njihovim kretanjem u električnom polju elektromagnetnog zračenja. Jedan dio energije elektromagnetnog zračenja se gubi na ubrzanje kretanja slobodnih nosilaca naelektrisanja u kristalnom poluprovodniku, pa to utiče na slabljenje elektromagnetnog zračenja. Apsorpcija usljed vibracija atoma u kristalnoj rešetki poluprovodnika je posljedica međudejstva elektromagnetnog zračenja sa oscilacijama atoma u kristalnoj rešetki i izaziva promjenu broja optičkih fonona. Ova vrsta apsorpcije se često naziva i rešetkinom apsorpcijom.

Eksitonskom apsorpcijom se anziva ona apsorpcija prilikom koje dolazi do obrazovanja vezanog para elektron - šupljina. Apsorpcija koja se javlja u kristalnom poluprovodniku sa složenom zonskom strukturom, sličnom zonskoj strukturi valentne energijske zone germanijuma i silicijuma, naziva se unutarzonskom apsorpcijom.



Plazmenom apsorpcijom se naziva apsorpcija usljed apsorbovanja elektromagnetnog zračenja ukupnim brojem slobodnih elektrona i slobodnim šupljinama u kristalnom poluprovodniku.

Fotoprovodnost

Pod fotoprovodnošću se podrazumijeva promjena električne provodnosti materijala pod uticajem svjetlosti. Ova fotoelektrična osobina materijala razlikuje se od fotoemisije po tome što oslobođeni elektroni ne napuštaju materiju nego ostaju u njoj i na taj način povećavaju broj slobodnih nosilaca elektriciteta. Pošto provodnost materijala zavisi od koncentracije slobodnih nosilaca i njihove pokretljivosti, to će se i provodnost materijala mijenjati. U metalima je ova koncentracija i na sobnoj temperaturi relativno velika u odnosu na povećanje nastalo uticajem svjetlosnih radijacija, pa je i promjena provodnosti neznatna. U poluprovodnicima priraštaj slobodnih noslaca prouzrokovan svjetlošću može biti daleko veći od broja nosilaca stvorenih toplotnom energijom. Zato se o fotoprovodnim efektima, uglavnom, i govori kod poluprovodnika, gdje pod uticajem svjetlosne radijacije dolazi do prelaska elektrona iz valentne u provodnu zonu.

Fotodetektori u optičkim komunikacijama zahtjevaju veličinu energetskog procjepa prema spektralnim oblastima u kojima postoji minimum slabljenja optičkih vlakana na bazi kvarcnog stakla (SiO2). U početnoj fazi razvoja optičkih komunikacija ( I generacija) najbolji svjetlosni izvori i detektori bili su na bazi GaAs i InP radili su u oblasti . Takođe koristio se i silicijum iako ima indirektan energetski procjep,ali izrazito nižu cjenu od konkurentskih materijala. Međutim minimum slabljenje SiO2 materijala su na talasnim dužinama

i , pa je u drugoj generaciji optičkih komunikacija bilo neophodno napraviti izvore i detektore u toj oblasti.

Kao što se vidi iz navedenih primjera osnovni kriterijum pri izboru materijala za neku od elektronskih naprava je veličina energetskog procjepa, njegov tip, zatim, pokretljivost slobodnih nosilaca naelektrisanja i druge karakteristike, zavisno od specifične namjene.

Energija fotona koji pada na površinju poluprovodnika je:

,

gdje je zadato u . Da bi došlo do generisanja potrebno je da energija fotona bude jednaka ili veća od energije energetskog procjepa. Tako foton sa minimalnom energijom koji može da izazove jonizaciju ima talasnu dužinu:

,

gdje je dato u . Tako stvoreni elektroni i šupljine se kreću kroz kristal u svim pravcima, pri čemu se vrši ponovno njihovo spajanje (rekombinacija) i



uspostavljanje raskinutih valentnih veza. Pri određenoj jačini svjetlosti broj slobodnih nosilaca određen je ravnotežom između brzine raskidanja (generacije) i brzine uspostavljanja (rekombinacije) valentnih veza.

Fotoprovodnost

Fluks fotona (broj fotona po jedinici površine u sekundi) dobija se tako što se snaga monohromatske svjetlosti P podijeli sa energijom jednog fotona:

.

Odavde se zaključuje da pri konstantnoj snazi, ako raste i talasna dužina raste i fluks (ima više fotona po jednom vatu snage).

Brzina generisanja na dubini u poluprovodniku, mora da bude

proporcionalna fluksu. S druge strane prilikom svakog generisanja broj fotona se smanjuje za jedan. Dakle brzina generisanja je proporcionalna gradijentu fluksa sa suprotnim znakom:

.

Konstanta proporcionalnosti ima dimenziju i zove se koeficijent

apsorpcije. zavisi od osobina materijala i od talasne dužine svjetlosti. Rješavanjem prethodne jednačine dobije se:

,

gdje je , a koeficijent refleksije na površini poluprovodnika. Obično se poluprovodnik posebnim postupkom prekrije tankim slojem antirfleksivnog stakla tako da je . Iz predhodnih relacija dobija se:

.

Ako se sa obilježi dubina u poluprovodniku do koje nastaje generisanje, ukupni broj generisanih nosilaca po jedinici površine za sekundu dobija se kao:

Do apsorbovanja svih fotoni potrebno je da bude ili .

Za apsorbovano je procenata fotona, pa se

kaže da je dubina prodiranja svjetlosti.

Sa porastom intenziteta svjetlosti povećava se brzina generacije, ali i brzina rekombinacije nosilaca naelektrisanja. Vrijeme koje prođe od trenutka oslobađanja elektrona do njegovog ponovnog spajanja (vraćanja u valentni opseg) naziva se vrijeme života (vijek) slobodnih elektrona i jako zavisi, pored ostalog, od koncentracije slobodnih nosilaca naelektrisanja.



U kristalima u čijoj kristalnoj strukturi postoje i atomi primjesa, koncentracija jedne vrste slobodnih nosilaca može biti daleko veća od koncentracije druge vrste. Zato se u realnim fotoprovodnicima uspostavljanje struje vrši, praktično, samo jednom vrstom slobodnih nosilaca. Zbog toga je gustina struje u poluprovodniku tipa određena približnim izrazom:

,

gdje je: q - električno opterećenje elektrona (apsolutna vrijednost )

- koncentracija elektrona - njihova brzina - pokretljivost - specifična električna provodnost - jačina električnog polja.

Za promjenu provodnosti izazvanu osvjetljenjem može se pisati da je:

,

gdje je: - koncentracija nosilaca oslobođenih svjetlosnom energijom.

Ova koncentracija je jednaka proizvodu broja oslobođenih elektrona u jedinici vremena i srednjeg vremena života elektrona :

,gdje je:

- svjetlosni fluks - broj fotona po lumenu u jednoj sekundi - kvantni stepen iskorišćenja ili broj oslobođenih elektrona po jednom

fotonu.

Ovaj broj je manji od jedinice, ali kod dobrih fotoprovodnika može dostići veličinu blisku jedinici.

Fotoelektrična struja

Fotoelektrična struja linearno raste sa povećanjem jačine svjetlosti E pri čemu je K konstanta proporcionalnosti:

.Ovo je, međutim, tačno samo pri vrlo malom osvjetljaju. Pri jakom

osvjetljaju, tj. velikoj koncentraciji nosilaca, vrijeme života slobodnih elektrona se smanjuje, pa struja nije linearna funkcija osvjetljaja , već je određena relacijom:

,

gdje je koeficijent koji je manji od jedinice.

Veličina provodnosti zavisi od talasne dužine elektromagnetnih radijacija. Oblik spektralne karakteristike osjetljivosti sličan je za sve fotoprovodne materijale. Fotoprovodna osjetljivost je maksimalna za jedan uski opseg učestanosti i opada idući ka većim i ka manjim talasnim dužinama. Spektar



apsorpcije kristalnog poluprovodnika zavisi od spoljašnjih uticaja koji mogu da izmijene stanje atoma u kristalnom poluprovodniku, zatim od defekata u kristalnoj rešetki, od oscilacija atoma u kristalnoj rešetki poluprovodnika i drugih činilaca. Može se očekivati da na spektar apsorpcije kristalnog poluprovodnika utiču i temperatura, pritisak, spoljašnje električno i spoljašnje magnetno polje, zračenje česticama određene energije, stepen legiranosti kristalnog poluprovodnika i niz drugih spoljašnjih uzroka.

Zahvaljujući osobini fotoprovodnosti određeni poluprovodnički materijali su iskorišćeni za pravljenje optoelektronskih prijemnika kao što su: fotootpornici, fotodiode i fototranzistori.

LE diode - Svjetleća dioda (en. LED - Light Emiting Diode, često se

naziva i LE dioda) je posebna vrsta poluprovodničke diode koja emitira



svjetlost kada je propusno polarizirana, tj. kada kroz nju teče struja. Jo{ je

Njutn 1666. godine u svom radu «Optika» opisao eksperimente sa

svetlo{}u i izneo zaklju~ak do koga je do{ao o prirodi svetlosti:

svetlost se pona{a tako kao da se sastoji od bestelesnih ~estica

koje putuju brzinom svetlosti.

Korpuskularna (~esti~na) priroda svetlosti potvrdjena je

kasnije, pri obja{njenju efekata interakcije svetlosti sa

materijalom (fotoelektri~ni efekat i Komptonov efekat), s

obzirom da to nije bilo mogu}e uz pretpostavku o svetlosti kao

talasu.

Dakle, korpuskularna priroda svetlosti ogleda se u ~injenici

da svetlost ~ine ~estice - fotoni. Fotoni su kvanti svetlosti ~ija

je energija h (h-Plankova konstanta, a -frekvencija svetlosti).

Fotoni mogu da interaguju sa elektronima kroz slede}e

fundamentalne mehanizme:

1. spontana emisija svetlosti

2. apsorpcija svetlosti

3. stimulisana emisija svetlosti

Da bi se emitovao foton, elektron mora da oslobodi energiju

jednaku h, dok posle apsorbovanja fotona pove}ava svoju

energiju za h.

Kako su u modernim tehnologijama od interesa

poluprovodni~ki materijali, neophodno je znati kako se oni

pona{aju u interakcijama sa fotonima. Naime, u

poluprovodnicima elektroni oslobadjaju i primaju energiju kroz

slede}e procese: proces rekombinacije sa {upljinama

(oslobadja se energija) i proces generacije elektrona i {upljina

(prima se energija). Na ovim procesima zasnovan je rad

fotokomponenata. Medjutim, mora da se naglasi da su

rekombinaciono-generacioni procesi od op{teg zna~aja za

razumevanje poluprovodni~ke elektronike.



Svaki od gore navedena tri mehanizma prakti~no je

iskori{}en u radu slede}ih foto komponenata:

spontana emisija svetlosti kod svetle}ih dioda LED (light-

emitting diodes)

apsorpcija svetlosti kod fotodetektora/solarnih }elija i

stimulisana emisija svetlosti kod lasera.

Treba ista}i da ove komponente imaju veoma zna~ajnu

primenu (displeji, senzori, opti~ke komunikacije, kontrola).

1. SVETLE]E (LED) DIODE: REKOMBINACIJA NOSILACA

Elektron u provodnoj zoni (pokretni elektron) mora da oslobodi

odredjenu energiju da dospe do valentne zone i rekombinuje se

sa {upljinom. U odredjenim slu~ajevima ova energija se

oslobadja kao foton. To je spontana emisija. Tako, podesno

dizajnirana dioda mo`e da emituje svetlost usled rekombinacije

manjinskih nosilaca. Kako je brzina rekombinacije uslovljena

strujom kroz diodu kada je direktno polarisana, to zna~i da je i

intenzitet emitovane svetlosti uslovljen strujom kroz diodu.

Prilikom direktne rekombinacije para elektron-šupljina, emitira se foton svjetla. Takvu osobinu imaju poluprovodnici galijev-arsenid (GaAs), galijev fosfid (GaP) i silicijev karbid (SiC). Ta pojava se naziva elektroluminiscencija. Boja emitiranog svjetla ovisi o poluprovodniku, kao i o primjesama u njemu i varira od infracrvenog preko vidljivog do ultraljubičastog dijela spektra.



Slika 5.

Svjetleća dioda (LED) Svjetleće diode emitiraju svjetlost kada su propusno polarizirane. Boja svjetlosti ovisi o primjesama u poluprovodniku, a mogu varirati od ultraljubičaste do infracrvene. Koriste se za prijenos signala (infracrvene) i signalizaciju. Koriste se i prilikom galvanskog odvajanja električnih krugova, najčešće u optokaplerima.


Documents

Uvod u Opticke Komunikacije