LUCRAREA NR. 8

DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE

1.Introducere.

Procesele fizice care stau la baza funcionrii dispozitivelor optoelectronice sunt generarea i recombinarea purttorilor mobili de sarcin. Exist dou clase mari de dispozitive optoelectronice:Dispozitive care transform energia radiaiei luminoase n semnale electrice- acestea au ca scop fie msurarea fluxului luminos sau transmisia de informaie, caz n care este vorba de fotodetectoare fie conversia energiei luminoase n energie electric, caz n care sunt celule fotovoltaice.Dispozitive care transform energia electric n energie luminoas cazul diodelor electroluminescente i al laserilor cu jonciuni semiconductoare.

2.Fotodioda

n fotodiod energia radiaiei luminoase se transform prin efect fotovoltaic n prezena barierei de potenial n energie electric. Purttorii generai n apropierea jonciunii pn sunt preluai de cmpulelectric din regiunea de sarcin spaial i sunt transferai n regiunea n care sunt majoritari. Prin creterea numrului de purttori se reduce bariera de potenial, ceea ce conduce la creterea transferului purttorilor minoritari prin jonciune, astfel nct regiunea p sencarc pozitiv, iar regiunea n negativ. Apare astfel o tensiune electric direct n circuitul extern dac acesta este deschis sau un curent de scurtcircuit ntr-o rezisten de valoare redus conectat ntre anod i catod.Curentul de scurtcircuit poate fi scris n forma /14 /ISC qgALn Lp (1)FLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

unde A este aria jonciunii, g este rata de fotogenerare, iar Ln iLp sunt lungimile de difuzie pentru electroni i respectiv pentru goluri. Curentul de scurtcircuit are acelai sens ca i curentul invers prin jonciune.La conectarea rezistorului n circuitul extern tensiunea defotogenerare ajunge la valoarea V iar curentul n circuitul extern:

qVI I I e KT 1

(2)SCS

n circuit deschis tensiunea fotogenerat are valoarea:

V KT Iln SC 1 (3)qI S

Analiznd relaia (3) se constat c o jonciunepnsau oheterojonciune pn special construit din semiconductoare cuWgcuprins ntre 1eV i 2eV , poate genera curent electric sub fluxluminos incident, acest regim fiind de celul fotovoltaic.n figura 1 sunt prezentate caracteristicile statice tipice ale unei fotodiode la diferite fluxuri luminoase incidente. La iluminare nul0 caracteristica va fi cea a unei diode descris de ecuaiaShockley (cadranele I i III).La iluminri diferite de zero 01 2 caracteristica semodific prin apariia fotocurentului modelat de relaia (2) care are sens opus curentului de difuzie al diodei polarizate direct.Caracteristicile din cadranul III reprezint regimul de fotodiod care se obine la aplicarea pe dispozitiv a unei tensiuni inverse de polarizare cu ajutorul unei surse externe. Se constat c la iluminare curentul invers crete liniar cu fluxul incident i nu depinde de tensiunea de polarizare extern.LUCRAREA NR.8Dispozitive optoelectronice

Caracteristicile din cadranul IV definesc funcionarea n regim de celul solar, cnd tensiunea este fotogenerat de iluminare.Tensiuneamaxim fotogenerat se obine n gol (cnd I L 0) :

KTIVCD lnIeS 1 (4)

Fig.1 Caracteristicile statice ale fotodiodei n diferite regimuri defuncionare.

Mrimi caracteristice principale la fotodiode.

Curentul de ntuneric I S ,este valoarea curentului invers al jonciunii pn n absena fluxului luminos i la polarizarea invers specificat (de ordinul 150 nA la tensiuni de cca.30V)Sensibilitatea la iluminare SR , este definit de relaia:

SR I L I S (5)100

FLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

n care I L este fotocurentul produs sub fluxul . Sensibilitatea spectral

S, este reprezentarea sensibilitii lailuminare n funcie de lungimea de und a fluxului incident. n figura 2 se prezint o caracteristic spectral tipic pentru fotodiod. Sensibilitatea unghiular

S,reprezint modul n care foto-curentul se modific cu unghiul de inciden al fluxului luminos pe fotodiod. Majoritatea fotodiodelor au o lentil din sticl sau material plastic care ngusteaz cmpul optic. n figura 3 se prezint o diagram de directivitate pentru o fotodiod tipic.

Fig. 2.Caracteristic spectral tipic de fotodiod.Constantele de timp : de cretere a fotocurentului i

i dedescretere a fotocurentului d la iluminarea fotodiodei n regimpulsat. Ca exemplu, la fotodiodele cu siliciu funcie de structura concret.. i d 0,5ns 1s nPentru creterea frecvenei semnalelor transmise prin fibra optici recepionate cu fotodiode se desfoar cercetri intense pentrugsirea unei structuri semiconductoare la care mici. i id s fie ct mai

LUCRAREA NR.8Dispozitive optoelectronice

Fig. 3. Diagram de directivitate pentru fotodiod; a-cu lentil.b-fr lentil

Studiul experimental al fotodiodei.

T rasarea caracteristicilor st atice la fotodiod.

Se folosete un aranjament experimental care permite modi- ficarea fluxului luminos incident pe fotodiod prin schimbarea diametrului unor diafragme ce se afl n faa sursei luminoase sau prin modificarea distanei dintre fotodiod i sursa luminoas, prima putnd fi deplasat pe un ghidaj gradat n milimetri (vezi fig.4)

Fig.4 Montaj experimental pentru trasarea caracteristicilor statice la fotodiode:1-fotodiod n montur cu parasolar i conector ; 2-surs de polarizare variabil (030V) ; 3-comutator ; 4-voltmetru electronic ;5- miliampermetru electronic; 6-bec cu incandescen n montur opticFLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

(cca 20W) ; 7-surs pentru alimentarea becului ;8-disc cu diafragme; 9-ghidaj cu rigl ;10-patin suport pentru fotodiod.Se acoper complet parasolarul fotodiodei pentru a bloca fluxul luminos i se nregistreaz valorile pereche tensiune- curent att la polarizare direct ct i la polarizare invers.Se nltur obturarea diodei i aplicnd fluxuri luminoase constante se iau valori pentru reprezentarea caracteristicilor statice.Pentru modificarea fluxului luminos se apeleaz fie la schimbarea diafragmei prin care trece fascicolul,fie la modificarea distanei bec-fotodiod,determinndu-se valorile fluxului n planul fotodiodei cu ajutorul luxmetrului aeznd traductorul acestuia n locul fotodiodei.Se reprezint caracteristicile statice ale fotodiodei pe baza msurtorilor efectuate.Se determin din date curentul de ntuneric i sensibilitatea de iluminare a fotodiodei pe baza relaiei (5).

Studiul proceselor de comutaie la fotodiod.

Fig.5 1-diod electroluminescent; 2-fotodiod; 3-montur mecanic; 4-generator de semnale dreptunghiulare cu frecven reglabil; 5-surs de tensiune stabilizat (030V); 6-osciloscop cu dou canale.LUCRAREA NR.8Dispozitive optoelectronice

Pentru a analiza rspunsul fotodiodei la semnale de tip impulsiv se utilizeaz montajul din figura 5, n care este realizat un cuplaj optic ntre o diod electroluminescent i fotodioda studiat. Cu ajutorul unui osciloscop cu dou canale se compar semnalul de curent care trece prin dioda electroluminescent cu curentul ce strbate fotodioda polarizat invers,n regim de fotodetector.n acest tip de msurtoare se consider c timpul de rspuns al diodei electroluminescente este cu cel puin dou ordine de mrime mai scurt dect cel al fotodiodei,lucru verificat totdeauna n practic.n figura 6 se prezint modul de definire a timpilor de cretere i descretere pentru rspunsul n fotocurent a unei fotodiode iluminate cu pulsuri ideale.

Fig.6 Forma fluxului optic aplicat fotodiodei i rspunsul fotocurentului n funcie de timp.

Dup realizarea montajului se va sincroniza osciloscopul pentru a vizualiza corect cele dou semnale studiate. Se alege pentru funcionarea osciloscopului modul chopper.

FLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

Se crete treptat frecvena semnalului de la generator analizndu-se efectele asupra posibilitilor de vizualizare ale timpilor de cretere i de descretere.Se ncearc, folosind calibrarea bazei de timp a osci- loscopului s se determine tc i td .

Dioda electroluminescent (LED)

Dioda electroluminescent transform energia electric n flux luminos printr-un mecanism n care se produce un regim de neechilibru prin injecia de purttori minoritari n jonciunile i heterojonciunile pn polarizate direct. Datorit concentraiilor ridicatevor avea loc procese de recombinare radiante cu emisia fotonilor i procese radiante fr emisia fotonilor. n cazul proceselor radiante cu emisia fotonilor sunt dominante mecanismele de recombinare band- band (Ga-As,In-P,Ga-Sb,Al-Ga-As,Ga-As-P) i recombinarea pe centre de impuriti (Ga-P,Ga-Asx,P1-x pentru x0,65).Mecanismele de recombinare pot fi schimbate de factori ca : temperatura, concentraia purttorilor injectai, concentraiile impuri- tilor din semiconductor, defecte n structura semiconductorului.Mecanismele de injecie ale purttorilor minoritari i de recombinare radiant a acestora sunt specifice att diodelor electroluminescente ct i diodelor LASER. La curent mic jonciunea (sau heterojonciunea) produce o radiaie necoerent, n timp ce dup depirea unui curent de prag apare emisia stimulat. La diodele LASER se impun condiii speciale de dopaj (nivel, profil) i form a structurii semiconductoare care trebuie s devin rezonator optic.n diodele electroluminescente fotonii produi prin recombinare radiant se propag n toate direciile prin semiconductor i doar o mic parte ajung n exterior prin suprafaa frontal sau lateral a dispozitivului. Creterea curentului i a temperaturii reduc eficiena emisiei optice datorit creterii recombinrilor neradiante.LUCRAREA NR.8Dispozitive optoelectronice

Mrimi caracteristice diodelor electroluminescente.

Curentul printr-o diod electroluminescent este descris de relaia /9,10 /

qV I F I S expKT (6)unde : este un coeficient care ia valoarea 1 cnd predominant estecurentul de difuzie i valoarea 2 cnd mai mare este componenta de recombinare. n figura 7 se prezint caracteristica curent-tensiune a unei diode electroluminescente.

Fig.7Caracteristicacurent-tensiuneauneidiode electroluminescente.

Tensiunea care cade pe o diod electroluminescent n regim de generare a fluxului luminos depinde de lrgimea benzii interzise i de nivelele de dopare. Caracteristica spectral reprezint distribuia intensitii emisiei n funcie de lungimea de und. Deoarece intensitatea radiaiei emise depinde de nivelul de injecie trebuie s se specifice clar curentul direct pe diod la efectuarea msurtorii. n figura 8 se indic forma unei caracteristici spectrale pentru LED.

FLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

Fig.8 Distribuia spectral a emisiei diodelor electroluminescente

Caracteristica de directivitate indic variaia intensitii de emisie a radiaiei n funcie de unghiul fa de axa optic a diodei. LED-urile au de regul lentile care direcioneaz fascicolul luminos. n figura 9 se prezint forma unei caracteristici de directivitate n coordonate polare i n coordonate liniare.

Fig. 9 Caracteristica de directivitate a LED.

Studiul experimental al diodei electroluminescente.

Trasarea caracteristicii statice a diodei electroluminescente

i analiza emisi ei optice a acesteia. Se realizeaz montajul prezentat n figura 10 n care cu sursa stabilizat de tensiune 2 se poate modifica curentul n gama 0,5200mA, iar 7 este un luxmetru care msoar cu detectorul 5 fluxul optic emis de LED n funcie de curentul aplicat.

LUCRAREA NR.8Dispozitive optoelectronice

Modificnd tensiunea sursei 2 se crete treptat n pai curentul prin LED msurnd tensiunea la bornele acestuia i fluxul generat.Se reprezint grafic curentul i respectiv fluxul luminos emis de LED n funcie de tensiunea la bornele LED-ului.Se interpreteaz rezultatele obinute i se propune o valoare optim a curentului prin dispozitiv.

Studiul caracteristicii de directivitate a LED.Se folosete pentru alimentarea electric a LED montajul precedent fixndu-se curentul la valoarea optim ;Se fixeaz traductorul 5 al luxmetrului pe partea mobil a sistemului goniometric n al crui centru se pune LED- ul.Msurtorile se vor face la lumin ambiant sczut i uniform n zona de lucru.

Fig.10 1-LED supus studiului; 2-surs stabilizat de tensiune continu (030V);3-miliampermetru de curent continuu (0200mA) 4-voltmetru electronic; 5-detectorul fotoelectric al luxmetrului; 6- ecran optic; 7-luxmetru.Se rotete traductorul 5 la diferite unghiuri fa de axa optic citind indicaiile luxmetrului 7.Se reprezint grafic n coordonate plane caracteristica de directivitate.

n figura 11 se prezint dispozitivul pentru studiul caracteristicii spaiale.FLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

Fig.11 Dispozitiv experimental pentru studiul caracteristicii spaiale a LED. 8-disc marcat n grade; 9-suport pentru LED; 10-rigl metalic rotitoare; 11-suport pentru traductorul 5.

8.Optocuplorul.

Acest circuit realizeaz separarea galvanic a dou sisteme aflate la tensiuni diferite ntre care trebuie transmis un semnal prin producerea unui cuplaj optic. Este format dintr-o surs optic i un fotodetector. Exist cteva cazuri importante n care este necesar izolarea galvanic: a) efectuarea de msurtori asupra unor instalaii aflate la tensiune ridicat ; b) preluarea de semnale biologice de pe fiine;c) transmisia de date la distan prin cabluri n care pot apare tensiuni de mod comun periculoase.n optocuplor semnalul continuu sau alternativ aplicat sursei optice este transformat n flux luminos care activeaz un fotodetector ce reface semnalul iniial. Ca surse de radiaii se folosesc cel mai des diodele electroluminescente cu emisie n vizibil sau infrarou, iar ca fotodetectoare: fotorezistoarele, fotodiodele, fototranzistoarele i celulele fotovoltaice.n figura 12 se prezint o variant constructiv de optocuplor.LUCRAREA NR.8Dispozitive optoelectronice

Fig.12 Structura real a unui optocuplor i montajul pentru studiul caracteristicilor de transfer.Mrimi caracteristice optocuploarelor.

Caracteristica de transfer a optocuplorului reprezint dependena curentului sau tensiunii de ieire n funcie de curentul de intrare. Tensiunea de izolaie, Uiz , este valoarea maxim a tensiunii electrice continue care poate exista ntre intrare i ieire un timp nelimitat fr ca optocuplorul s se distrug. Valorile curente sunt cuprinse n domeniul 10003000V pentru optocuploarele ncapsulate n plastic ntr-o structur DIP (dual-in-line package) i pot ajunge la 50KV n structuri ncapsulate axial. Rezistena de izolaie , Riz , este dat de curentul msurat sub o tensiune continu aplicat ntre intrare i ieire; aceasta are valori de ordinul 1010 1012 .Capacitatea intrare-ieire , C ,este o mrime parazit care cupleaz circuitele n curent alternativ. Productorii specific frecvena la care se msoar C - de regul la 1MHz . Un optocuplor de calitate trebuie

s aib o valoare C1pF .n circuitele reale mrimile 3 i 4 pot fiinfluenate puternic de cablajul pe care este plantat optocuplorul. Frecvena maxim , f max , a semnalului transmis prin optocuplor reprezint frecvena la care pentru semnale sinusoidale atenuarea

FLORIN MIHAI TUFESCUELECTRONICA FIZIC LUCRRI PRACTICE

atinge 3dB, iar n cazul semnalelor digitale se ia n calcul viteza de cretere a semnalului treapt indicndu-se numrul maxim de impulsuri pe secund. De regul, frecvena maxim este dictat de fotodetector care este mai lent dect dioda electroluminescent din optocuplor.Factorul de rejecie al modului comun , CMRR , reprezint raportul dintre amplificarea modului diferenial i cea a modului comun. Semnalul de mod diferenial este cel care se transmite de la intrare spre ieire; semnalul de mod comun este unul parazit ce apare att la intrare ct i la ieire i este datorat unor cauze cum sunt variaiile diferenei de potenial dintre punctele de mas.

Studiul experimental al optocuplorului.

n cadrul prii experimentale se va studia un optocuplor pentru semnale analogice tip PC120FB .Se utilizeaz montajul din figura 12.Se alimenteaz optocuplorul prin stabilizatorul 2 care asigur o tensiune de 9V.Se comut ntreruptorul K n poziia A ceea ce permite aplicarea pe intrarea optocuplorului a unei tensiuni continue variabile de la sursa stabilizat 3.Se modific n sens cresctor tensiunea continu aplicat optocuplorului citind pe voltmetrul electronic 4 tensiunea obinut la ieire.Se lucreaz n domeniul 07Vpentru tensiunea de intrare.Dup preluarea datelor experimentale se traseaz caracte- ristica de transfer n curent continuu.Se comut K n poziia B i se aplic de la generatorul 5 un semnal sinusoidal cu frecvena de 1000Hz i valoarea efectiv de 3V. Se observ pe osciloscopul 6 forma semnalului.Se traseaz caracteristica de frecven a optocuplorului

identificnd f max .Se trece generatorul de semnal pe faz dreptunghiular de und i se analizeaz forma semnalelor de comutaie pornind de la frecvene joase i ajungnd la frecvene mai nalte.