24
DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE 1. INTRODUCERE Prin dispozitive optoelectronice se inteleg acele dispozitive electronice la care semnalul de intrare sau de iesire este radiatia optica. Spectrul radiatiei optice este cuprins intre 5nm si 1mm. Spectrul se imparte astfel: - domeniul de radiatie ultraviolet: (5nm,400nm); - domeniul vizibil: (400nm ,760nm); - domeniul infrarosu: (760nm,1mm). Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza functionarii dispozitivelor optoelectronice sint absorbtia radiatiei electromagnetice in corpul solid si recombinarea radiativa a purtatorilor de sarcina in semiconductoare. Fenomenul de creare de purtatori liberi de sarcina sub actiunea radiatiei electromagnetice se numeste EFECT FOTOELECTRIC. Daca electronii ,care au absorbit radiatia electromagnetica ,sint extrasi din interiorul corpului solid,fenomenul poarta denumirea de efect fotoelectric extern ; acesti electroni pot participa la fenomene de conductie in vid sau gaze. Daca electronii sint doar desprinsi de atomul de origine , devenind purtatori liberi in interiorul retelei, fenomenul poarta denumirea de efect www.referat.ro

Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE

1. INTRODUCERE

Prin dispozitive optoelectronice se inteleg acele dispozitive electronice la care semnalul de intrare sau de iesire este radiatia optica.

Spectrul radiatiei optice este cuprins intre 5nm si 1mm. Spectrul se imparte astfel:- domeniul de radiatie ultraviolet: (5nm,400nm);- domeniul vizibil: (400nm ,760nm);- domeniul infrarosu: (760nm,1mm).

Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza functionarii dispozitivelor optoelectronice sint absorbtia radiatiei electromagnetice in corpul solid si recombinarea radiativa a purtatorilor de sarcina in semiconductoare.

Fenomenul de creare de purtatori liberi de sarcina sub actiunea radiatiei electromagnetice se numeste EFECT FOTOELECTRIC.

Daca electronii ,care au absorbit radiatia electromagnetica ,sint extrasi din interiorul corpului solid,fenomenul poarta denumirea de efect fotoelectric extern ; acesti electroni pot participa la fenomene de conductie in vid sau gaze.

Daca electronii sint doar desprinsi de atomul de origine , devenind purtatori liberi in interiorul retelei, fenomenul poarta denumirea de efect fotoelectric intern; acest fenomen este specific numai semiconductoarelor , deoarece la metale exista un mare numar de purtatori liberi ,chiar in absenta radiatiei electromagnetice.

2.FOTOREZISTORI

Una din formele de manifestare a efectului fotoelectric intern la materialele semiconductoare consta in aparitia purtatorilor de sarcina si,ca urmare,cresterea conductivitatii electrice a semiconductorului.

www.referat.ro

Page 2: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Aceasta proprietate se numeste FOTOCONDUCTIVITATE iar dispoziti-vul optoelectronic care functioneaza pe baza acestui fenomen se numeste FOTOREZISTOR.

In functie de materialul semiconductor din care este realizat, sensibilitatea lui spectrala poate varia din ultraviolet pina in infrarosu.Fotorezistorii se obtin prin depunerea unui strat din material semiconductor pe un suport izolator, prevazut la capete cu doua contacte ohmice pentru lipirea terminalelor.

Figure 1 Constructia unui rezistor

Suprafata fotosensibila a fotorezistorului poate varia intre 1mm2 si citiva centimatri patrati.Dispozitivul se incapsuleaza in plastic,metal,ceramica sau sticla.

Figura 2 Fotorezistor.Simbol si modul de utilizare in circuitele electrice.

Page 3: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 3 Caracteristica curent-tensiune pentru un fotorezistor

Parametrii unui fotorezistor sint : -valoarea rezistentei electrice la intuneric ; -tensiunea maxima admisa la borne ; -puterea maxima disipata ; -sensibilitatea la lumina-reprezinta raportul dintre variatia curentului si

variatia iluminarii, la o tensiune constanta.Se masoara in mA/lx. -sensibilitatea spectrala-depinde de natura materialului semiconductor

utilizat si reprezinta dependenta sensibilitatii S de lungimea de unda a radiatiei incidente.

Functionarea fotorezistoarelor nu depinde de semnul tensiunii aplicate. Valoarea curentului,la o tensiune data, depinde de nivelul de iluminare conform caracteristicii curent-tensiune din figura 3.

3.EFECTUL FOTOVOLTAIC-este procesul fizic prin care energia ra-diatiei luminoase (fotonilor) este transormata direct in energie electrica.

Pentru observarea efectului fotovoltaic ,se impune ca energia fotonilor incidenti sa fie mai mare sau egala cu largimea benzii interzise a semiconductorului Eg.Prin actiunea fotonilor asupra uneia din regiunile care formeaza jonctiunea p-n sint generati purtatori de neechilibru.

Page 4: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 3 Reprezentarea aparitiei efectului fotovoltaic

Cimpul electric intern Ei nu actioneaza decit asupra unei parti a purtatorilor fotogenerati in volumul semiconductorului : in zona p, vor fi supusi actiunii cimpului intern numai acei purtatori ce se

afla la distanta cel mult egala cu lungimea de difuzie a electronilor Ln fata de regiunea de sarcina spatiala, unde electronii vor fi atrasi spre regiunea de sarcina spatiala, in timp ce golurile vor fi respinse spre suprafata iluminata.

in zona n, se actioneaza in acelasi mod asupra purtatorilor generati si aflati la o distanta cel mult egala cu Lp de regiunea neutra ; Lp-lungimea de difuzie a golurilor.

in regiunea de sarcina spatiala, electronii sint deplasati in sens contrar cimpului intern Ei, iar golurile sint deplasate in acelasi sens cu cimpul intern.

Ca urmare a acestui transport de sarcini, regiunea n se incarca negativ iar regiunea p pozitiv.

Un voltmetru conectat la capetele jonctiunii va indica o tensiune numita tensiune de circuit deschis Voc.

4.CELULA FOTOVOLTAICA-dispozitiv optoelectronic cu o jonctiune pn ce are la baza functionarii efectul fotovoltaic.

Page 5: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Suprafata frontala a jonctiunii este neacoperita de contactul metalic (ca la o jonctiune obisnuita) si are aria cuprinsa intre citiva milimetri patrati si citiva centimetri patrati.

Figura 4 Structura unei celule voltaice

Daca suprafata activa este iluminata, la bornele celulei fotovoltaice apare o tensiune electrica, contactul regiunii p fiind polul pozitiv, iar contactul regiunii n polul negativ.

Conectarea unei rezistente in circuit da nastere la un curent electric,numit fotocurent si este de sens opus curentului ce apare in circuit in cazul polarizarii directe cu o tensiune externa.Cind celula fotovoltaica nu este iluminata, ea are o comportare asemanatoare cu o dioda simpla.

Analiza caracteristicii curent-tensiune evidentiaza urmatoarele aspecte : portiunea din cadranul 1 corespunde tensiunilor de polarizare directa

aplicate din exterior ; portiunea din cadranul 3 reprezinta functionarea in conditiile de

polarizare inversa ; curbele din cadranul 4 arata modul in care curentul ,dintr-un circuit ca cel

din fig.6., depinde de tensiunea la bornele celulei.

Pentru o celula fotovoltaica ,esentiala este functionarea in conditiile absentei polarizarii exterioare, corespunzatoare portiunii din cadranul 4 a caracteristicii curent-tensiune.

Page 6: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 5 Celula fotovoltaica.Simbol si utilizare.

Figura 6 Caracteristica curent-tensiune pentru celala fotovoltaica

Parametrii cei mai importanti sint: curentul de scurtcircuit Isc ; tensiunea de circuit deschis Voc; caracteristica spectrala.

Punctul de functionare M(I1,U1) defineste in mod univoc valoarea rezistentei ce trebuie folosita : R=U1/I1.

5.CELULA SOLARA-reprezinta o celula fotovoltaica cu mentiunea ca radiatia incidenta provine de la soare si are o constructie optimizata pentru utilizarea ca generator de energie electrica.

Aria suprafetei active este de ordinul centimetrilor sau zecilor de centimetri patrati.

Page 7: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Mecanismul de functionare este acelasi ca la o celula fotovoltaica.

Parametrul principal care defineste calitatea unei celule solare este randamentul conversiei ca fiind raportul dintre puterea electrica maxima furnizata de celula Pm si puterea radianta incidenta pe suprafata fotosensibila Pin: n=Pm/Pin=VmIm/Pin.

Datorita valorilor mari de curenti generati si a ariei fotosensibile mari,celulele solare au o serie de particularitati constructive fata de celulele fotovoltaice.

Figura 7 Structura tipica a unei celule solare

Grila metalica(contactul superior) are rolul de a mari eficienta de colectare a purtatorilor fotogenerati si de a micsora rezistenta serie a celulei (rezistenta electrica pe care dispozitivul insusi o are la trecerea curentului electric).

Celulele solare se fabrica cu suprafete cit mai mari in scopul obtinerii unor valori ridicate pentru curentii debitati.

Obtinerea unor generatoare electrice ,bazate pe efectul fotovoltaic, cu putere mare la iesire implica ansamblarea celulelor solare in module.

De exemplu, la conectarea a doua celule solare in serie, caracteristica ansamblului are curentul de scurtcircuit egal cu cea mai mica valoare in timp ce tensiunea rezultanta este suma tensiunilor individuale.

La rindul lor, modulele se grupeaza in ansambluri mai mari (panouri) pentru a putea obtine puteri de ordinul a sute de wati.

Page 8: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

6.FOTODIODA-este un dispozitiv optoelectronic cu o jonctune pn, cu aria activa mica(mm patrati) si se utilizeaza in regim polarizat, la tensiuni inverse. Intre o fotodioda si o dioda obisnuita exista doua deosebiri constructive importante :1. Capsula diodelor semiconductoare este opaca, in timp ce la fotodiode

exista o zona transparenta pentru accesul luminii.2. La o dioda semiconductoare toata suprafata zonei difuzate este acoperita

cu un strat metalic ce constituie unul din electrozi, in timp ce la fotodioda aceasta suprafata este acoperita cu un strat reflectant.

Caracteristica curent-tensiune a unei fotodiode este asemanatoare cu cea a unei celule fotovoltaice din cauza proceselor identice ce au loc.

Figura 8 Fotodioda. Structura si simbol.

Page 9: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 11 Trasarea dreptei de sarcina la o fotodioda si utilizarea in circuit.

Fotodiodele nu se utilizeza in regim fotovoltaic (cadranul 4) ci numai in conditiile aplicarii la borne a unei tensiuni inverse(cadranul 3).

Curentul invers se numeste curent de iluminare si pentru iluminare zero se obtine curentul de intuneric.

OBSERVATII-Daca utilizarea fotodiodelor in regim fotovoltaic este neavenita (datorita curentilor mici furnizati) folosirea celulelor fotovoltaice in locul fotodiodelor este posibila.

Pentru aceasta se vor selecta celulele fotovoltaice care au curentul de intuneric mic si tensiunea de strapungere suficient de mare.O proprietate importanta a fotodiodelor este timpul de raspuns mai redus, la arii fotosensibile egale, decit al celulelor fotovoltaice sau al fotorezistoarelor.Aceasta se datoreaza micsorarii capacitatii jonctiunii cind i se aplica o polarizare inversa.

7.FOTOTRANZISTORUL-are,la fel ca si tranzistorii obisnuiti, doua jonctiuni si in care se prevede posibilitatea ca regiunea bazei, a colectorului, a emitorului sau chiar toate regiunile sa fie iluminate.

Functionarea se bazeaza pe efectul fotoelectric intern si pe proprietatea de amplificare in curent a tranzistorului.

Fototranzistorul poate fi inclus in schemele de masura in montaj cu emitorul comun EC, cu baza comuna BC sau cu colectorul comun(CC).Se mai

Page 10: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

utilizeaza conectarea ca dioda obisnuita avind emitorul, baza sau colectorul in gol.

Avantajul fototranzistorului fata de fotodioda este sensibilitatea mai mare la lumina, de zeci sau sute de ori mai mare la aceeasi arie fotosensibila.

Figura 12 Moduri de conectare a fototranzistorului in circuitele electronice.

Ca dezavantaj se mentioneaza valoarea mare a curentului de intuneric. De aceea fototranzistorul se foloseste,cu precadere, in montajele in care trebuie sesizata prezenta luminii si nu o discriminare precisa a nivelelor de iluminare.

Parametrii principali ai unui fototranzistor sint: curentul de intuneric; tensiunea maxima colector-emitor; curentul maxim de colector; sensibilitatea spectrala-reprezentind dependenta curentului de colector

functie de lungimea de unda a radiatiei optice incidente.

8.OPTOCUPLOARE-sint dispozitive ''hibride'' formate dintr-un emitator si un receptor de lumina asezate fata in fata, la o distanta mica , in aceeasi capsula.

Page 11: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Un semnal continuu sau alternativ aplicat la intrare este transformat in radiatie luminoasa;acesta ajunge la fotodetector, unde se reconstituie semnalul electric initial.

Sursele de radiatie folosite in optocuploare sint : becuri cu incandescenta sau LED-uri cu emisie in vizibil sau in infrarosu apropiat.

Figura 13 Configuratii de optocuploare.

Fotodetectoarele utilizate sint: fotorezistoare, fotodiode ,fototranzistoare, celule fotovoltaice, fototranzistoare.

Desi, sint posibile o multime de combinatii intre diferite surse optice si fotodetectoare,conditie obligatorie pentru imperecherea lor intr-un optocuplor este suprapunerea , cel putin partiala, a caracteristicilor spectrale de emisie a sursei cu sensibilitatea spectrala a fotodetectorului. In practica sau impus doar citeva configuratii: LED-fotodioda, LED- fototranzistor si LED-fototiristor.

Parametrii pincipali ai optocuploarelor sint: raportul de transfer in curent definit ca raportul intre curentul de iesire si

curentul de intrare, exprimat in procente; caracteristica de transfer a optocuplorului se da de obicei sub forma unui

grafic ce reprezinta variatia curentului(sau a tensiunii) de iesire in functie de curentul de intrare.Caracteristica poate fi liniara (utila pentru

Page 12: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

circuite analogice) sau neliniara (utila pentru circuite de comutare,s.a.) -frecventa maxima a semnalului transmis;

capacitatea intrare-iesire; rezistenta de izolatie.

9.DESCRIREA MONTAJULUI EXPERIMENTAL

Panoul contine o parte din dispozitivele optoelectronice uzuale in circuitele electronice : fotodioda, celula solara, celula fotovoltaica, fototranzistor, fotorezistor, optocuplor.

La fiecare dispozitiv optoelectronic s-au prevazut borne pentru conectarea aparatelor de masura si a celorlalte elemente de circuit.

10.APARATE NECESARE-panou experimental;-voltmetru eletronic de c.c.;-sursa de tensiune continua;-luxmetru;-autotransformator 0-220 V;-lampa cu incandescenta;-miliampermetru;-generator de impulsuri cu durata si amplitudine variabile;-osciloscop catodic cu doua canale, banda 10MHz;

11.DESFASURAREA LUCRARII

11.1 Se realizeaza schema electrica de mai jos, pentru ridicarea caracteristicilor I=f(U)/flux=ct. si I=f(flux)/U=ct. la o fotodioda.

Page 13: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 14 Schema electrica pentru ridicarea caracteristicii unei fotodiode.

11.2 Se completeaza tabelul 1. pentru caracteristica I=f(U).

11.3 Se traseaza caracteristicile I=f(U)/flux=ct. si I=f(flux)/U=ct.

Tabelul 1.------------------------------------------------------------------------------------------------U (V) ! 0 ! 0.2 ! 0.4 ! 1 ! 2 ! 4 ! 6 ! 8 ! ------------------------------------------------------------------------------------------------ ! 0 ! ! ! ! ! ! ! ! ! F ! !---!----!-----!----!---!---!---!---!--------------- ! 100 ! ! ! ! ! ! ! ! ! L ! !---!----!-----!----!---!---!---!---!--------------- ! 200 ! ! ! ! ! ! ! ! ! U ! !---!----!-----!----!---!---!---!---!--------------- ! 400 ! ! ! ! ! ! ! ! ! X ! !---!----!-----!----!---!---!---!---!--------------- ! 600 ! ! ! ! ! ! ! ! ! =============================================================OBSERVATIE :Intensitatea fluxului luminos se citeste cu ajutorul unui luxmetru. In lipsa unui luxmetru, valorile fluxului luminos vor fi citite din

Page 14: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

tabelul 3., determinate experimental pentru un bec cu incandescenta si puterea de 100W la diferite tensiuni de alimentare U furnizate de autotransformatorul AT.Distanta dintre bec si dispozitivul optoelectronic este de aproximativ 10 cm.

11.4 Cu acelasi montaj, se inlocuieste fotodioda cu o fotorezistenta si se ridica caracteristicile de la punctele 11.2 si 11.3.

Tabelul 3.-----------------------------------------------------------------Tensiune AT(V) ! 0 ! 125 ! 130 ! 165 ! 185 ! 200 ! 220 !-----------------------------------------------------------------Flux (Lx) ! 0 ! 100 ! 200 ! 400 ! 600 ! 800 ! 1000 !=============================================================

11.5 Se executa montajul din figura 11.5 pentru ridicarea caracteristicii curent-tensiune a unei celule solare si se completeaza un tabel de forma 4.

Figura 15 Montaj pentru ridicarea caracteristicii curent-tensiune a unei celule solare.

11.6 Se inseriaza o celula solara cu o celula fotovoltaica si se determina,in acelasi sistem de axe, caracteristicile curent- tensiune pentru fiecare dispozitiv si pentru ansamblul serie.

Page 15: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Tabelul 4. Uo= tensiunea in gol ( V )----------------------------------------------------------------------------------------------------------Flux \ U (V) ! Uo ! Uo-0.05 ! Uo-0.1 ! Uo-0.15 ! Uo-0.2 ! Uo-0.25 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------0 ! ! ! ! ! !---------------------------------------------------------------------------------------------------------100 ! ! ! ! ! !--------------------------------------------------------------------------------------------------------400 ! ! ! ! ! !--------------------------------------------------------------------------------------------------------800 ! ! ! ! ! !--------------------------------------------------------------------------------------------------------1000 ! ! ! ! ! !==============================================================Observatie : U este tensiunea la bornele celulei care se fixeaza cu ajutorul cutiei de rezistente.

11.7 Se determina, pentru fototranzistor ,caracteristica I=f(U)/flux=ct. completind un tabel de forma 1. si tensiune maxima colector-emitor 6 V.

11.8 Se determina caracteristica de transfer a optocuplorului I2=f(I1) cu ajutorul schemei din fig.11.8. si tabelul 5.

Page 16: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 16 Schema electrica pentru determinarea caracteristicii de transfer a unui optocuplor.

11.9 Se determina caracteristica de iesire a optocuplorului Ic=f(Uce)/I1=const. completind un tabel de forma 5 si se reprzinta grafic caracteristica obtinuta.

11.10 Se inlocuieste sursa de tensiune U1 cu un generator de semnal dreptunghiular cu amplitudinea si frecventa variabila.Pentru factor de umplere 0.5 se determina timpul de raspuns al optocuplorului si frecventa maxima de functionare cu ajutorul montajului din figura 11.9.

Tabelul 5.I1(mA) \ Uce(V) ! 0.0 ! 1.0 ! 2.0 ! 3.0 ! 4.0 ! 5.0 ! 6.0 ! 7.0 ----------------------------------------------------------------- 0 ! ! ! ! ! ! ! !----------------------------------------------------------------- 5 ! ! ! ! ! ! ! ! ----------------------------------------------------------------- 10 ! ! ! ! ! ! ! !----------------------------------------------------------------- 15 ! ! ! ! ! ! ! !----------------------------------------------------------------- 20 ! ! ! ! ! ! ! !==============================================================

Page 17: Www.referate.ro-dispozitive Optoelectronice 14c04

Figura 17 Schema electrica pentru determinarea timpulu de raspuns al optocuplorului si a frecventei maxime de functionare.

12.BIBLIOGRAFIE

1. CEANGA,E.,s.a.-Electronica industriala-E.D.P.,Bucuresti, 1981.