Fotoničke komponenteFotoničke komponentepp

osnovne čestice svjetlostiosnovne čestice svjetlosti fotoni igraju glavnu ulogufotoni igraju glavnu uloguosnovne čestice svjetlosti osnovne čestice svjetlosti ––fotoni igraju glavnu ulogufotoni igraju glavnu ulogu

dr.sc.Vera Gradišnik, dipl.ing.dr.sc.Vera Gradišnik, dipl.ing.izv profizv profizv.prof.izv.prof.

F t d t kt iF t d t kt iFotodetektoriFotodetektori

Fotodetektori pretvaraju elektromagnetsku energiju uFotodetektori pretvaraju elektromagnetsku energiju uFotodetektori pretvaraju elektromagnetsku energiju u Fotodetektori pretvaraju elektromagnetsku energiju u električnu energiju, optički signal električnu energiju, optički signal → električki signal→ električki signal

osnovni tipovi elemenata optoelektronike i fotonike:osnovni tipovi elemenata optoelektronike i fotonike:fotoemisijski tip fotoemisijski tip –– izvori svjetlosti izvori svjetlosti –– električna E električna E →→optičko optičko zračenje LED (zračenje LED (lightlight--emittingemitting--diodediode i laser i laser light light

lifi ti b ti l t d i i f di ti )lifi ti b ti l t d i i f di ti )amplification by stimulated emission of radiation)amplification by stimulated emission of radiation)komponente detektiraju optički signal komponente detektiraju optički signal –– fotodetektorifotodetektori ––fotovodljivi elementifotovodljivi elementi i PDi PD fotodiodefotodiodefotovodljivi elementifotovodljivi elementi i PD i PD fotodiodefotodiodekomponente pretvaraju optičko zračenje u električnu komponente pretvaraju optičko zračenje u električnu energijuenergiju –– PVPV fotovoltaične komponentefotovoltaične komponente iliili sunčane ćelijesunčane ćelijeenergiju energiju PV PV fotovoltaične komponentefotovoltaične komponente ili ili sunčane ćelijesunčane ćelije

ElektroluminiscencijaElektroluminiscencijaElektroluminiscencijaElektroluminiscencija-- emisija optičkog zračenja (UV, vidno i IR)emisija optičkog zračenja (UV, vidno i IR)

je generacija svjetlosti kao posljedica struje je generacija svjetlosti kao posljedica struje kroz komponentu kod narinutog naponakroz komponentu kod narinutog naponaza LED su spektralne linije širine 5za LED su spektralne linije širine 5 –– 20 nm20 nmza LED su spektralne linije širine 5 za LED su spektralne linije širine 5 20 nm20 nmmonokromatsko svjetlo u laserskim diodama monokromatsko svjetlo u laserskim diodama i i di i d ÅÅširine 0,1 do 1 širine 0,1 do 1 ÅÅ..

LED i laseriLED i laseri –– primjena: komunikacije iprimjena: komunikacije iLED i laseri LED i laseri primjena: komunikacije i primjena: komunikacije i medicinamedicina

ElektroluminiscencijaElektroluminiscencijaElektroluminiscencijaElektroluminiscencija-- emisija optičkog zračenja (UV, vidno i IR)emisija optičkog zračenja (UV, vidno i IR)

vidni dio spektra ljudskog oka 0,4 vidni dio spektra ljudskog oka 0,4 -- 0,7 0,7 μμmmIR 0,7 IR 0,7 –– 1000 1000 μμmmUV 0,01UV 0,01 –– 0,40,4 μμmmUV 0,01 UV 0,01 0,4 0,4 μμmmelektroničke komponente 0,3 elektroničke komponente 0,3 –– 1,5 1,5 μμmmradijativni prijelaziradijativni prijelazi u poluvodiču rekombinacijeu poluvodiču rekombinacijeradijativni prijelazi radijativni prijelazi -- u poluvodiču rekombinacijeu poluvodiču rekombinacije

između pojaseva između pojaseva ––direktni prijelazi najčešćidirektni prijelazi najčešćiprijelazi uz pomoć kemijskih nečistoća ili fizičkih defekata indirektni prijelazi uz pomoć kemijskih nečistoća ili fizičkih defekata indirektni prijelazi prijelazi prijelazi unutar pojaseva prijelazi unutar pojaseva

osnovni optički procesi između dvije osnovni optički procesi između dvije energijske razineenergijske razine

dozvoljeni direktni prijelazi (Edozvoljeni direktni prijelazi (E--k prostor) GaAs GaAsPk prostor) GaAs GaAsPdozvoljeni direktni prijelazi (Edozvoljeni direktni prijelazi (E--k prostor) GaAs, GaAsPk prostor) GaAs, GaAsP

apsorpcija svjetlostiEC

h ν p p j j

fotodiodeEV

h ν

spontana emisijaEC

h νLED

EV

stimulirana emisija EC

h ν h ν

laseriEV

LEDLED

pn spoj propusno polariziran emitira vanjsko zračenje pn spoj propusno polariziran emitira vanjsko zračenje l lj bič id i i f d čjl lj bič id i i f d čju ultraljubičastom, vidnom i infracrvenom području u ultraljubičastom, vidnom i infracrvenom području

spektraspektrauporaba:uporaba:

displeji matrice 5x7 segmenti za znamenke 0displeji matrice 5x7 segmenti za znamenke 0--9 slova A9 slova A--ZZrasvjetarasvjetaizvori svjetlosti za optičke komunikacije < 10 kmizvori svjetlosti za optičke komunikacije < 10 kmoptocoupler ili optoisolatorioptocoupler ili optoisolatori

UčinkovitostUčinkovitostInterna kvantna učinkovitost Interna kvantna učinkovitost η ηinin

je učinkovitost pretvorbe struje slobodnih nositelja u je učinkovitost pretvorbe struje slobodnih nositelja u fotone definirane fotone definirane

emitiranihernofotonabrojin

_int__=η

Eksterna kvantna učinkovitost Eksterna kvantna učinkovitost η ηexex

spojaprekoprolazekojinabojanositeljabrojin ______η

ηηexexje učinkovitost pretvorbe struje slobodnih nositelja u je učinkovitost pretvorbe struje slobodnih nositelja u fotone izvan komponente definiranefotone izvan komponente definirane

spojaprekoprolazekojinabojanositeljabrojemitiraniheksternofotonabroj

ex___

=ηp jppjjjj ______

UčinkovitostUčinkovitostUčinkovitost Učinkovitost snage snage ηηPP

je omjer snage izlazne svjetlosti i ulazne električne snageje omjer snage izlazne svjetlosti i ulazne električne snage

snagaulaznaelektricnasnagaoptickaizlazna

P =__η

hxvanemitiranihfotonabr

snagaulaznaelektricna

=_____

__

νη

hxvanemitiranihfotonabr

UIP ×=

ν

η

Uqspojaprekonositeljabrhxvanemitiranihfotonabr

P ××=

________ νη

Intenzitet svjetlostiIntenzitet svjetlosti

za planarne LED emitirani intenzitet svjetlostiza planarne LED emitirani intenzitet svjetlosti

oos

oonP

I θ=θ cos)( 2

2

2

θor

gdje je Pgdje je P snaga izvora svjetlosti r udaljenost površinesnaga izvora svjetlosti r udaljenost površine

os

oonrπ4

)( 22

gdje je Pgdje je Pss snaga izvora svjetlosti, r udaljenost površine snaga izvora svjetlosti, r udaljenost površine od izvora, od izvora, θθoo kut upada izlazne zrake, nkut upada izlazne zrake, nss indeks loma indeks loma poluvodiča npoluvodiča n indeks loma okoline (zraka)indeks loma okoline (zraka)poluvodiča, npoluvodiča, noo indeks loma okoline (zraka)indeks loma okoline (zraka)

Svjetlostni tok (fluks)Svjetlostni tok (fluks)

]lm[)()( λλλφ dPVL ∫= ]lm[)()( λλλφ dPVL opo ∫=

gdje je Lgdje je Loo konstanta 683 lm/W, V(konstanta 683 lm/W, V( λ λ) relativna ) relativna osjetljivost oka iosjetljivost oka i PP (( λ λ)) snaga spektra izlaznog zračenjasnaga spektra izlaznog zračenjaosjetljivost oka i osjetljivost oka i PPopop(( λ λ) ) snaga spektra izlaznog zračenjasnaga spektra izlaznog zračenja

V(V( λ λ) relativna osjetljivost oka, svedena je na ) relativna osjetljivost oka, svedena je na vrijednost 1 za vršnu vrijednost kodvrijednost 1 za vršnu vrijednost kod λλ = 555 nm= 555 nmvrijednost 1 za vršnu vrijednost kod vrijednost 1 za vršnu vrijednost kod λλ = 555 nm= 555 nm

FotodiodeFotodiodei j i š d čj j ki l kt ič ii j i š d čj j ki l kt ič iimaju osiromašeno područje s jakim električnim imaju osiromašeno područje s jakim električnim poljem koje služi za odvajanje fotogeneriranih parova poljem koje služi za odvajanje fotogeneriranih parova elektronelektron šupljinašupljinaelektron elektron –– šupljinašupljinaPD reverzno polarizirane PD reverzno polarizirane –– smanjuje se vrijeme smanjuje se vrijeme prijelazne pojave i smanjuje kapacitet Cprijelazne pojave i smanjuje kapacitet C diodediodeprijelazne pojave i smanjuje kapacitet Cprijelazne pojave i smanjuje kapacitet CJJ diodediodeUURR < U< UbrbrP t kt i lik jP t kt i lik jPo strukturi razlikujemo: Po strukturi razlikujemo:

pp--ii--n fotodioden fotodiodepn fotodiodepn fotodiodepn fotodiodepn fotodiodeheterospojne fotodiodeheterospojne fotodiodemetalmetal poluvodič fotodiodepoluvodič fotodiodemetalmetal--poluvodič fotodiodepoluvodič fotodiode

FotodetekcijaFotodetekcija

apsorpcija svjetlostiapsorpcija svjetlostioptička generacija nositelja nabojaoptička generacija nositelja nabojakvantna iskoristivostkvantna iskoristivostkvantna iskoristivostkvantna iskoristivostodzivnostodzivnostbrzina odzivabrzina odziva

Apsorpcija svjetlostiApsorpcija svjetlosti

frekvencije frekvencije νν i valne duljine elektromagnetskog i valne duljine elektromagnetskog zračenjazračenja λλ doći će do prijelaza elektrona iz stanja sdoći će do prijelaza elektrona iz stanja szračenja zračenja λλ doći će do prijelaza elektrona iz stanja s doći će do prijelaza elektrona iz stanja s nižom energijom nižom energijom EEnn u stanje s višom energijom Eu stanje s višom energijom Emmpri tom je energijska relacijapri tom je energijska relacijapri tom je energijska relacijapri tom je energijska relacija

ν=−=Δ hEEE nm

intenzitet svjetlosti u smjeru širenja vala intenzitet svjetlosti u smjeru širenja vala IdxdI α−=

s koeficijentom apsorpcijes koeficijentom apsorpcijeφλ

πα rk==

4φλ

Apsorpcija svjetlostiApsorpcija svjetlosti

k4λπα k4

=

Atomska stanja odgovorna za apsorpciju svjetlosti uAtomska stanja odgovorna za apsorpciju svjetlosti uAtomska stanja odgovorna za apsorpciju svjetlosti u Atomska stanja odgovorna za apsorpciju svjetlosti u poluvodiču poluvodiču -- fotovodljivostfotovodljivost

elektroni iz valentnog pojasa prelaze u vodljivi pojas elektroni iz valentnog pojasa prelaze u vodljivi pojas -- stvara se parstvara se par ee-- -- hh++stvara se par stvara se par ee hhintrinsičnaintrinsična apsorpcija apsorpcija –– vidljivo područje spektra i vidljivo područje spektra i infracrveno područjeinfracrveno područjep jp j

elektroni vezani za lokalizirane primjese ili defektne elektroni vezani za lokalizirane primjese ili defektne p jp jcentre pojedinog tipa centre pojedinog tipa –– generira se samo jedan tip generira se samo jedan tip nositelja naboja nositelja naboja -- većinski: većinski:

dlji j ilidlji j ili hh++ ll jjee-- u vodljivom pojasu iliu vodljivom pojasu ili hh+ + u valentnomu valentnom pojasupojasuekstrinsičnaekstrinsična apsorpcija apsorpcija -- infracrveno područjeinfracrveno područje

Refleksija svjetlostiRefleksija svjetlosti

( )( )

ℜ =− +n k1 2 2

2 2( )+ +n k1 2 2

gdje je n* kompleksni indeks loma svjetlosti

n n ik* = +

n- indeks loma, k- koeficijent prigušenja, j p g j

kvantna iskoristivost kvantna iskoristivost ηη

je broj generiranih parova elektronje broj generiranih parova elektron--šupljina za šupljina za ki d i fki d i fsvaki upadni fotonsvaki upadni foton

hhIhI

optPh

qphI

AqphI νφ

η ==

gdje je gdje je IIphph fotostruja nastala zbog svjetlosnih fotostruja nastala zbog svjetlosnih generacija slobodnih nositelja nabojageneracija slobodnih nositelja naboja PPgeneracija slobodnih nositelja naboja, generacija slobodnih nositelja naboja, PPoptoptoptička snaga svjetlosti, optička snaga svjetlosti, hhνν energija fotonaenergija fotona

Optičke generacije nosilaca nabojaOptičke generacije nosilaca nabojap g j jp g j j

aktivna površina senzora dovoljno mala aktivna površina senzora dovoljno mala ––elektromagnetni val je ravni valelektromagnetni val je ravni valu vremenskom intevalu od u vremenskom intevalu od tt do do t+T I(t+T I(νν)) =const.=const.ukunpna brzina fotogeneracije kod osvjetljenja s ukunpna brzina fotogeneracije kod osvjetljenja s monokromatskim svjetlommonokromatskim svjetlom

xopt exxG )()(),()( λα−λαλφ=

φφ00 gustoća toka fotonagustoća toka fotona koji se apsorbira na površinikoji se apsorbira na površini

opt )(),()( φ

φφ00 gustoća toka fotona gustoća toka fotona koji se apsorbira na površinikoji se apsorbira na površini

( )tPR λ−

=φ1

0 optPhcA

=φ0

Fotostruja Fotostruja JJphphjj phph

gustoća struje nastala uslijed fotogeneracije u gustoća struje nastala uslijed fotogeneracije u osiromašenom područjuosiromašenom područjudifuzijska komponenta struje << fotogenerirane difuzijska komponenta struje << fotogenerirane komponente struje u OPkomponente struje u OP

xxx

x

ph eeqdxxGqJ dndpdn

−=−= −−∫ )()( )()(

0φ λαλα

optph

xP

qJ

dp

=η

struja fotodiodestruja fotodiodekTqU

ph

IIIIII

hq

AJ

&)1( /

ν

phphkTqU

sphDPD IIeIIII =−−=+= &)1( /

Nadomjesni model fotodiodeNadomjesni model fotodiode

Rs I-ID -

UDCJ

R R

+

UIph

R

+

+Rj RU

-R

RRss ovisi o materijaluovisi o materijaluRRjj ovisi o osobinama fotodiode, velik → zanemarimo gaovisi o osobinama fotodiode, velik → zanemarimo ga

i i i ši i i šzanemareni su izvori šumazanemareni su izvori šuma

StrujnoStrujno--naponska karakteristikanaponska karakteristikajj pp

I

ID

U

Popt

d id iOdzivnostOdzivnost

k kt i i k lit t f t di dk kt i i k lit t f t di dkarakterizira kvalitetu fotodiodekarakterizira kvalitetu fotodiode

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡μηλ

=λη

=ν

η==ℜ

WAm

hcq

hq

PI

opt

ph

24,1][

⎦⎣opt ,

**Detektivnost DDetektivnost D**

]/[* WHzcmNEP

ABD =NEP

gdje je A površina, B širina frekvencijskog pojasa, gdje je A površina, B širina frekvencijskog pojasa, NEP (NEP ( l il i i l )i l )NEP (NEP (engl. noiseengl. noise--equivalent power)equivalent power) snaga snaga ekvivalentna šumuekvivalentna šumu

b i d ib i d ibrzina odziva brzina odziva ttrr

d đd đ k jk jodređena s vremenom određena s vremenom tt u kojem se par u kojem se par nn -- pppretvori u struju pretvori u struju –– dana s vremenom rasta dana s vremenom rasta (engl. rise time) od 10% na 90% normalne (engl. rise time) od 10% na 90% normalne izlazne vrijednostiizlazne vrijednostiizlazne vrijednostiizlazne vrijednostiodređuje:određuje:

difuzija nositelja naboja Gdifuzija nositelja naboja Goptopt izvan OPizvan OPvrijeme preleta evrijeme preleta e--, h, h+ + pod utjecajem pod utjecajem ξξ preko OPpreko OP--aaj pj p p j jp j j ξξ ppkapacitet Ckapacitet Cjj OPOP

brzina odziva brzina odziva ttrrn,p generirani izvan OP difundiraju prema OP n,p generirani izvan OP difundiraju prema OP ––spori processpori procespoželjno xpoželjno xjj plitak spojplitak spojOP dovoljno široko OP dovoljno široko u OP n, p se gibaju u OP n, p se gibaju vvmaxmax i vrijeme preleta i vrijeme preleta

)()(/1 λδ=λα=W1510 −=ξ Vcm

W OPW OP--a mora biti a mora biti fCj WWW <<max1 / vW=τ

jer će jer će ττtttt (engl. transit time) ograničavati frekvencijski odziv(engl. transit time) ograničavati frekvencijski odzivjer će Cjer će Cj j bitibiti prevelik prevelik → konstanta prevelika→ konstanta prevelikaRC=τ2

fj

jj

gdje prevladava gdje prevladava ττ22

22,2 τ=rt

brzina odziva brzina odziva ttrrvrijeme kašnjenja zbog difuzije nositelja G izvan OPvrijeme kašnjenja zbog difuzije nositelja G izvan OP--aa

pnd

d DLL

vL

,3 ==τ

gdje je L širina neutralnog područja, Lgdje je L širina neutralnog područja, LDD difuzijska difuzijska d lji ji kih it lj i OP Dd lji ji kih it lj i OP D dif ij kdif ij kduljina manjinskih nositelja izvan OP, Dduljina manjinskih nositelja izvan OP, Dn,pn,p difuzijska difuzijska konstantakonstanta

Sunčana ćelijaSunčana ćelija

bi S č j tl ibi S č j tl i k jik jiapsorbirano Sunčevo svjetlo generira par apsorbirano Sunčevo svjetlo generira par nn--pp koji na koji na kontaktima stvaraju napon kontaktima stvaraju napon –– sunčana ćelija izvor električne sunčana ćelija izvor električne energijeenergijeg jg jnn--pp pod utjecajem ugrađenog pod utjecajem ugrađenog ξξ su razdvojeni, su razdvojeni, nn se gibaju se gibaju prema nprema n--tipu, tipu, pp prema pprema p--tipu poluvodiča tipu poluvodiča → na kontaktima → na kontaktima

ti t j titi t j ti ti ititi itinapon napon -- nn--tip postaje negativan, ptip postaje negativan, p--tip pozitivantip pozitivanpriključimo li vanjski potrošač kroz ćeliju zbog fotonapona priključimo li vanjski potrošač kroz ćeliju zbog fotonapona teče struja Iteče struja I hh, na trošilu struja I jednaka, na trošilu struja I jednakateče struja Iteče struja Iphph, na trošilu struja I jednaka, na trošilu struja I jednaka

hkTqU

h IeIIII == )1( /ph

qsphD IeIIII −−=−= )1(

Sunčana ćelijaSunčana ćelija

Rs IID +

U

ID

R R

+

UIph

-Rp RU

-

)1( / −−=−= kTqUsphDph eIIIII

RR ovisi o materijaluovisi o materijaluRRss ovisi o materijaluovisi o materijaluRRpp ovisi o osobinama ćelije, velik → zanemarimo gaovisi o osobinama ćelije, velik → zanemarimo ga

skTIRUq IRU −− )1( /)(

sh

sph

kTIRUqsphD R

IRUIeIIII s +−−=−= − )1( /)(

Sunčana ćelija strujnoSunčana ćelija strujno--naponska karakteristikanaponska karakteristika

II--U karakteristika u 1. kvadrantu jer je PU karakteristika u 1. kvadrantu jer je Pmaxmax = U= UmmIImm, a struja I , a struja I koju uzimamo je pozitivnakoju uzimamo je pozitivnakoju uzimamo je pozitivnakoju uzimamo je pozitivna

II

P=UokIks

I Iks

P=UmIm

Im

UUok UP=UmIm

UUm Uok

Iks

Parametri sunčane ćelijeParametri sunčane ćelije

napon na stezaljkama sunčane ćelije kod otvorenog napon na stezaljkama sunčane ćelije kod otvorenog kruga (I=0)kruga (I=0)

)1ln( += phk

IkTU

struja kratkog spoja, tj. kad je na stezaljkama U=0struja kratkog spoja, tj. kad je na stezaljkama U=0

)1ln( +=s

ok IqU

karakteristični otporkarakteristični otporphks II =

okURpp

fakor punjenjafakor punjenjaksok

k IR =

mmIUFfakor punjenjafakor punjenja

djelotvornost ćelijedjelotvornost ćelijeksokmm

IUF =

UIUP 2djelotvornost ćelijedjelotvornost ćelijeREAU

EAIU

PP mmm

um

2===η

LiteraturaLiteratura

V. Gradišnik i ostali suradnici: “Poročilo o V. Gradišnik i ostali suradnici: “Poročilo o delu za leto 1986delu za leto 1986--88”, Istraživačko područje 88”, Istraživačko područje optoelektronika, istraživački projekt IR senzor, optoelektronika, istraživački projekt IR senzor, p , p j ,p , p j ,RSS, Ljubljana, 1986 RSS, Ljubljana, 1986 --1988.1988.P t K lišič J d k V l ti I Z liP t K lišič J d k V l ti I Z liPetar Kulišič, Jadranka Vuletin, Ivan Zulim: Petar Kulišič, Jadranka Vuletin, Ivan Zulim: Sunčane ćelije, Zagreb:Školska knjiga, 1994Sunčane ćelije, Zagreb:Školska knjiga, 1994..