Upload
others
View
11
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5/29/2018
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 2
Fotootpornik (svetlosna karakteristika, spektralna karakteristika)
Princip rada fotodiode i fototranzistora
LED
Optokapler – simbol, uloga
Prilikom osvetljavanja poluprovodnika u njemu se povećava koncentracija i manjinskih i većinskih nosilaca
Unutrašnji fotoelektrični efekat
Efekat se javlja kada usled energije fotona elektroni prelaze iz valentne zone, ili sa primesnih nivoa, u provodnu zonu, kao i iz valentne zone na primesne nivoe
Energija fotona mora biti veća ili jednaka aktivacionoj energiji Ea odgovarajućeg prelaza:
(5.1)
gde je h = 6,6710-34 Js Plankova konstanta, a f učestanost elektromagnetnog zračenja (svetlosti).
aEhf
Iz (5.1) se dobija maksimalna talasna dužina elektromagnetnog talasa koji može da izazove fotoefekat
"crvena" granica fotoefekta
“crvena" granica unutrašnjeg fotoefekta u poluprovodnicima često se nalazi u oblasti infracrvenog zračenja
max reda nekoliko m
neke poluprovodničke komponente se mogu koristiti u prijemnicima infracrvenog zračenja.
Osvetljavanje poluprovodnika i poluprovodničkih
komponenata ima sledeće posledice:
1. Povećava se provodnost poluprovodnika.
2. Ukoliko je fotoefekat u blizini p-n spoja, nastaje
povećanje inverzne struje p-n spoja.
3. Usled difuzionog kretanja nosilaca, na p-n spoju će
se promeniti visina barijere i u tom slučaju
osvetljen p-n spoj može služiti kao izvor električne
energije.
Obrnuto, prilikom proticanja struje kroz p-n spoj,
usled rekombinacije nosilaca dolazi do
emitovanja svetlost i takav elemenat može da
služi kao izvor svetlosti.
Absorpcija i emisija svetlosti
FOTOOTPORNIK
- radili smo kod otpornika - Fotootpornici su poluprovodnički otpornici kod kojih se
otpornost smanjuje pod uticajem svetlosti
Rad poluprovodničkih fotootpornika zasnovan je na efektu fotoprovodnosti (unutrašnjem fotoelektričnom efektu).
Izrađuju se od: kadmijum sulfida (CdS)
kadmijum selenida (CdSe)
kadmijum sulfoselenida (CdSSe)
cink sulfida (ZnS)
za oblast infracrvenog zraČenja od olovo sulfida (PbS), indijum antimonida (InSb), kadmijum telurida (CdTe)
Otporni materijal se nanosi na izolacionu podlogu, a preko toga se prekriva providnim materijalom
Konstruktivni izgled fotootpornika: apločica od steatita;
bfotoosetljivi otporni sloj (CdS); celektrode za kontakt (ovde su
u obliku češlja); dprovidno kućište od epoksidne smole; eizvodi.
Osnovne karakteristike fotootpornika:1. Statička strujno-naponska karakteristika predstavlja
zavisnost jednosmerne struje koja protiče kroz fotootpornik od napona na njemu pri konstantnom osvetljaju. Razlika između struje koja protiče kroz fotootpornik kada je on osvetljen i struje neosvetljenog fotootpornika (struje tame) zove se fotostruja. Strujno-naponska karakteristika fotootpornika je u većini slučajeva linearna ili bliska linearnoj
Osnovne karakteristike fotootpornika:2. Promena otpornosti sa osvetljajem – meri se pri različitom
osvetljenju otpornika svetlošću složenog spektralnog sastava
Osnovne karakteristike fotootpornika:3. Svetlosna karakteristika predstavlja zavisnost fotostruje IF od
osvetljenosti E, pri konstantnom naponu
A konstanta koja zavisi od
tipa fotootpornika
konstanta koja zavisi od
talasne dužine svetlosti i tipa
fotootpornika
E osvetljenost.
EAI F
Osnovne karakteristike fotootpornika:4. Spektralna karakteristika izražava relativnu promenu fotostruje u
zavisnosti od talasne dužine svetlosti koja pada na fotootpornik. Karakteristično je za sve fotootpornike da postoji talasna dužina opt, zavisno od materijala od koga je sačinjen fotootpornik, pri kojoj je najveća promena fotostruje - maksimalna spektralna osetljivost
FOTODIODA Planarna dioda kod koje je anodni kontakt izveden
samo na delu difundovane površine, tako da je samo mali deo površine p-tipa zaklonjen kontaktom
Svetlost koja pada na površinu prodire u silicijum, tako da struja inverzno polarisane diode pri osvetljavanju poraste usled povećanja koncentracije manjinskih nosilaca u p-oblasti, koja je vrlo tanka, i u n-oblasti u dubini ispod prelazne oblasti
Inverzna struja poraste i usled generacije nosilaca u prelaznoj oblasti. Stvoreni elektroni odlaze iz prelazne oblasti u n-oblast, a šupljine u p-oblast.
Koncentracija generisanih nosilaca proporcionalna svetlosnom fluksu
koji je pao na aktivnu površinu diode
(n i p pa je povećanje inverzne struje proporcionalno svetlosnom fluksu
KIK - osetljivost fotodiode
FOTOGENERATOR - SOLARNA ĆELIJA
Fotogenerator stvara elektromotornu silu pod uticajem svetlosti - fotodioda koja nije priključena na spoljašnji izvor napajanja
Pod dejstvom ugrađenog polja u prelaznoj oblasti p-nspoja, svetlošću generisani elektroni iz prelazne i p-oblasti preći će u n-oblast, a šupljine iz prelazne i n-oblasti u p-oblast
Usled toga narušiće se ravnoteža, anoda će se naelektrisati pozitivno, a katoda negativno
Ako spojimo krajeve (anodu i katodu), poteći će struja –dioda se ponaša kao generator električne energije
Solarna ćelija, pretvara sunčevu energiju u električnu
Paralelnim i rednim vezivanjem većeg broja solarnih ćelija dobijaju se solarni paneli koji mogu da napajaju manje potrošače.
statička karakteristika fotogeneratora –karakteristika za neosvetljeni fotogenerator ( = 0) je praktično
karakteristika diode. Osvetljavanjem raste inverzna struja, pa se
karakteristika spušta
Ako dioda nije
kratkospojena, kontaktna
razlika potencijala se mora
smanjiti za V0 da bi
potekla i difuziona struja,
odnosno da bi ukupna
struja bila jednaka nuli.
ekvivalentna šema fotogeneratora – idealnoj diodi,
kroz koju protiče difuziona struja usled promene barijere, na red je
vezana otpornost Rs, a paralelno otpornost Rp i strujni generator
fotoelektrične struje I. Za razliku od redne otpornosti, paralelna
otpornost Rp se uglavnom može zanemariti
Uprošćena ekvivalentna šema fotogeneratora i strujno-naponska karakteristika fotogeneratora u aktivnom području
fotostruja I se deli na jednu kroz otpornost
potrošača Rp to je spoljašnja struja I i drugu I1 to je difuziona struja kroz diodu
Režim rada fotogeneratora se bira tako da
korisna snaga bude najveća
Korisna snaga je:
Rp se bira tako da osenčena površina na bude
maksimalna.
UIPK
Elementi PV sistema
a) PV panel
b) kontrolni panel
c) power storage sistem
d) invertor DC/AC
e) backup power supplies
(diesel startup generators)
Tipovi PV sistema
Direktno povezan PV
sistem (dole)
Stand-alone PV sistem
(desno gore)
Hibridni PV sistem (desno
dole)
Full summer sunlight = 1000W/m-2
PV ćelija, molul, panel,...
Tipovi solarnih ćelija
Monokristalne Si solarne
ćelije
Tipovi solarnih ćelija
Polikristalni solarni panel
Tipovi solarnih ćelija
a-Si solarni panel
World cell/module production, consumer and commercial, 1994-2002 (MW).
Source: PV News, Vol. 22, No. 3, 2003
Top ten PV cell/module producers, 1999-2002. Source: PV News, Vol. 22 No. 3, 2003
Solarni sistemi za grejanje
3. januar 2004.
3. februar 2004.
3. mart 2004.
3. april 2004.
28. april 2004.
FOTOTRANZISTOR Povećanje osetljivosti fotoelemenata postiže se
fototranzistorima
Fotodiodi se dodaje emitor, dobija se tranzistor, koji ima veliku površinu kolektorskog spoja – svetlost deluje uglavnom na kolektorski spoj
Ovaj tranzistor je zatvoren u providno kućište kako bi svetlost prodirala do tranzistorske strukture. S obzirom da je najvećim delom osvetljen kolektorski p-n spoj, to je kao da je kolektor-baznom spoju paralelno vezana fotodioda
Kako je bazna struja praktično jednaka fotostruji I, to znači da je kolektorska struja IC = I
Fototranzistor je puta osetljiviji od fotodiode koja ima istu efektivnu površinu
FOTOLUMINISCENTNE DIODE
(LED) LED (Light-Emitting Diode) – svetleća dioda, vrši obrnuti
proces: električnu energiju, odnosno električni signal pretvara u
svetlosnu energiju
osnovni princip na komese zasniva rad svetlećihdioda
elektron u valentnoj zoni ima manju energiju od elektrona u provodnoj zoni za veličinu širine zabranjene zone Eg
Pri rekombinaciji direktnim prelaskom elektrona iz provodne u valentnu zonu oslobađa se energija čija je vrednost jednaka Eg
energija se pretvara u foton svetlosti energije:
hf = Eg.
Da bi poluprovodnik emitovao svetlost, neophodno je da postoji veliki broj pobuđenih elektrona
Pobuđivanje elektrona sa nižeg na viši energetski nivo najbolje se postiže injekcijom -p-n spoja pri direktnoj polarizaciji
U tom slučaju slobodni elektroni iz provodne zone n-tipa prelaze u provodnu zonu p-tipa. Pošto u p-tipu ima mnogo šupljina, rasteintenzitet rekombinacije, i dolazi do svetlosnogzračenje spontana emisija
Ukoliko je struja veća, a to je direktna struja diode IF, biće veća i jačina svetlosti
Način povezivanja LED
Od širine zabranjene zone zavisi energija fotona, odnosno talasna dužina svetlosti
Izborom poluprovodnika možemo dobiti željenu talasnu dužinu svetlosti
LED se ne realizuju u silicijumskoj tehnologiji, tako da je njihov napon pri direktnoj polarizaciji znatno veći od 0.7 V
LED se izrađuju od poluprovodničkih materijala čije su vrednosti energetskih procepa veće nego u slučaju silicijuma
Trokomponentno jedinjenje galijum-arsenid-fosfid (GaAsP) zrači vidljivu crvenu svetlost, dok se LED od galijum-arsenida (GaAs) koristi za infracrveno (nevidljivo) područje spektra
Spektralne karakteristike LED u vidljivom delu spektra
Spektralna karakteristika LED za infracrveno područje
KOMPONENTE SA
SVETLOSNOM SPREGOM Komponenta sa svetlosnom spregom sastoji se od dve nezavisne
optokomponente
Prva komponenta je svetleća dioda (LED), a druga je neka od fotokomponenata: fotootpornik, fotodioda ili, najčešće, fototranzistor
Između njih je providan izolator. LED je prema tranzistoru okrenuta tako da zrači najveći intenzitet svetla, a fototranzistor je okrenut prema diodi svojom fotoosetljivom stranom.
OPTOKAPLER
POLUPROVODNIČKE
LASERSKE DIODE!! dopuni Bitna karakteristika lasera, koja ga izdvaja od ostalih
izvora svetlosti, jeste emisija strogo definisanih (uzanih) snopova monohromatske svetlosti
Princip rada laserske diode je sličan radu svetleće diode, ali za razliku od LED kod koje svetlost nastaje usled spontane emisije, kod laserskih dioda svetlost je rezultat procesa stimulisane emisije
laser – Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation
Stimulisana emisija nastaje kada kod direktno polarisane diode pored emisije fotona (spontana emisija) dolazi do stvaranja fotonske lavine, tj. kada svaki ovako stvoreni foton uzrokuje stvaranje drugih fotona koji imaju iste optičke osobine (istu frekvenciju, smer, stanje polarizacije).
Laserske diode se proizvode od poluprovodnika sa direktnim prelazom nosilaca iz provodne u valentnu zonu, u koje ne spada silicijum
To su jedinjenja iz III i V ili iz II i VI grupe periodnog sistema
p-n spoj formira kao heterospoj, a to znači da je takav spoj sačinjen od različitih poluprovodničkih jedinjenja
Obrada informacija - Laseri male snage (crveni laseri), sa visokokvalitetnim snopom koriste se prilikom optičkog skladištenja i iščitavanja podataka. Crveni laseri se još koriste kao markeri ili indikatori.
Audio-vizuelna tehnika - Kompakt-disk (CD) plejeri koriste AlGaAs tip lasera sa snopom talasne dužine 780 nm, a u mogućnosti su da postignu skladištenje 700 MB podataka na površinu jednog diska. DVD uređaji koriste lasere tipa AlGaInP sa zračenjem na talasnoj du`ini od 640 nm, i time postižu nešto veću rezoluciju i mogućnost skladištenja veće količine informacija.
Optičke komunikacije - Laserske diode su našle primenu u sistemima sa optičkim vlaknima i na njima zasnovane tehnologije prenosa podataka
Osnovne primene plouprovodničkih lasera
INTEGRISANA KOLA
5/29/2018
Elektronske komponente -
Pasivne komponente 58
Integrisano kolo je složeno električno kolo
sastavljeno iz mnoštva elemenata
objedinjenih na jedinstvenoj podlozi koje je
spremno za ugradnju u složenije sisteme
Može se koristiti i kao jedinstvena
komponenta.
Ono u sebi sadrži čitave električne šeme
sa različitim komponentama, kao što su:
tranzistori, otpornici i kondenzatori.
Integrisano kolo sa
osnovnim sastavnim
delovima
Funkcija koju obavlja integrisano kolo
uslovljava njihovu osnovnu podelu na:
analogna (na primer, operacioni
pojačavač),
digitalna (na primer, procesor) i
mešovita − na primer, A/D i D/A
konvertori − ona koja obrađuju I
analogni i digitalni signal na istom čipu
(čip − poluprovodnička pločica s
monolitnim sklopom).
Analogna IC Digitalna IC
Vrste integracije Otkriće tranzistora – integrisana kola!!
Automobilska industirja – ista brzina razvoja:
1 litar benzina/1 000 000 km
Brzina > 1 000 000 km/h
Cena nekoliko eura
Težina oko 100 g
Vreme eksploatacije 10 000 godina
Stepen integracije: broj tranzistora po jedinici površine
SSI (Small Scale
Integration) − kola
malog stepena
integracije, do 100
elemenata;
MSI (Medium Scale
Integration) − kola
srednjeg stepena
integracije, 100 do
1000 elememata;
LSI (od Large Scale Integration) − kola visokog stepena integracije (1000 -10000 elemenata)
VLSI (od Very Large Scale Integration) − kola vrlo visokog stepena integracije (10000 -100000 tranzistora)
ULSI (od Ultra Large Scale Integration)
− kola izuzetno visokog stepena
integracije sa preko milion tranzistora
po integrisanom kolu ili čipu;
U2LSI3 (od Ultra-Ultra Large Scale Integration) −
kola izuzetno-izuzetno visokog stepena
integracije, sa preko milijardu tranzistora po
integrisanom kolu ili čipu (sa preko milion
tranzistora po mm2).
Velika disipacija (napon napajanja 0,8V – za snagu od 80W struja je 100A)
Neophodno je hlađenje!!!
Vrste integrisanih kola – podloga
Vrste integrisanih kola – tehnologija
Monolitna integrisana kola
Najčešća integrisana kola
Planarna integrisana kola
Izrada je bazirana na planarnoj tehnologiji
Struktura osnove je planarna – ravna
Dimenzije komponenata vertikalne na
površinu su za više od reda velićine manje od
debljine osnove pa se stiče utisak da su
komponente u jednoj ravni
Tankoslojna i debeloslojna IC
Uporedo sa monolitnim IC razvijala su se, ali u znatno manjoj meri, i integrisana kola u tehnologiji debelog i u tehnologiji tankog filma.
U oba slučaja kao podloga kola služi tanka pločica od izolatorskog materijala, npr. od specijalnih vrsta keramike.
U tehnologiji debelog filma se na podlogu metodom sito-štampe nanose provodni, otporni, dielektrični i izolatorski slojevi, pomoću kojih se formiraju pasivne komponente debeloslojnog integrisanog kola (npr. otpornici, kondenzatori, provodne veze)
U tehnologiji tankog filma se za nanošenje odgovarajućih slojeva koristi tehnika vakuumskog naparavanja ili tehnika katodnog (jonskog) raspršavanja.
Ovom tehnologijom, kao i debeloslojnom, mogu se dobiti dovoljno kvalitetne pasivne komponente.
Moguće je dobiti i pojedine aktivne komponente, one se u praksi dodaju kao diskretne.
Hibridna integrisana kola
Hibridna integrisana kola su kombinacija monolitnih kola i elemenata s kolima koja su urađena tehnikama debelog ili tankog filma.
Pasivne komponente se realizuju debeloslojnom ili tankoslojnom tehnologijom.
Aktivna kola, realizovana planarnim procesom, dodaju se naknadno u formi čipa koji se na pasivnoj podlozi povezuje sa debeloslojnim ili tankoslojnim komponentama.
Postoje deboslojna i tankoslojna hibridna integrisana kola