OptoelektronikaZdroje

Detektory

Systémy

Optoelektronické součástky využívají interakce zářenía elektricky nabitých částic v polovodičích

Optoelektronika

1839 E. Becquerel - Fotovoltaický jev 1873 W. Smith - Fotovodivost selenu1954 Chapin, Fuller, Pearson - Solární článek s pn přechodem1962 Pankove, Berkeyheiser - GaAs LED1962 R. N. Hall, Nathan, .... - GaAs LASER1962 N. Holonyak... - GaAsP červený LASER1963 H. Kroemer, Alferov - návrh LASERu s heteropřechodem1963 Allen - GaP červená LED1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda

energie fotonu h = 6.63x10-34 Js Planckova konstantaν [s-1] kmitočetc [ms-1] rychlost světlaλ [m] vlnová délkam0 [kg] klidová hmotnost

Dualismus vlna-částice (de Broglie 1924)

světlo elektromagnetické částice - fotonvlnění

λν hchE ==

elektron částice de Broglieho vlna

hybnost fotonumcpmcE == 2λ

ν hc

hp ==

pcE =

vlnová délka m [kg] hmotnost částicev [ms-1] rychlostmv

hph==λ

z teorie relativity

λν chhW ⋅=⋅=Planckův zákon

λ (μm)λ (μm)vlnočet (cm-1)

1eV 0.2eV0.4eV3eV 2 W(eV) W(eV)

počet vln na 1 cm

- elektromagnetické vlny s vlnovou délkou λ- množství fotonů (kvant) o energii W

Záření

Čím kratší je vlnová délka fotonu, tím větší je jeho energie.

Mechanismy generace a rekombinace nositelů náboje v polovodiči

zářivá nezářivá Augerova

k

E

k = 0

Δk = 0

ΔE = ħω

k

E

k = 0

polovodiče s přímýmzakázaným pásem

polovodiče s nepřímýmzakázaným pásem

vysoká injekcenositelů náboje

k

E

k = 0

Δk ≠ 0Et

musí být dodrženy zákony zachování energie a hybnosti

Wg

Interakce záření a polovodiče

W > Wg ⇒ ABSORPCE (fotoelektrický jev-vnitřní)

V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnovádélka je kratší než ABSORPČNÍ HRANA

];[24,1 eVmWg

μλ ≤

1921 – Nobelova cena za fyziku A.Einstein– objev fotoelektrického jevu (vnějšího)

Aplikace: FOTODETEKTORY, SLUNEČNÍ ČLÁNKY

Wg

Interakce záření a polovodiče

W > Wg ⇒ ABSORPCE (fotoelektrický jev)

Absorpční hrana (T=300 K) :

Ge: λ = 1.5 μm Wg = 0.84 eVSi: λ = 1.1 μm Wg = 1.12 eVGaAs: λ = 0.85 μm Wg = 1.42 eV

Pro danou vlnovou délku musíme vybírat detektor podle materiálu!

Pro delší vlnovou délku je polovodič průhledný (neabsorbuje).

Závislost absorpčního koeficientu vybraných polovodičů na vlnové délce záření

Elektron samovolně (spontánně) rekombinuje s dírou

Interakce záření a polovodiče

Wg

Uvolněná energie se vyzáří ve formě fotonu(zákon zachování energie)

Aplikace: LED (Light Emitting Diode)

];[24,1 eVmWg

μλ ≈

Rekombinace elektronu s dírou je stimulována přilétajícím fotonem,jehož frekvence, polarizace a fáze je shodná jako u vyzářeného fotonu

Interakce záření a polovodiče

Wg

Vznikající záření je koherentní (má shodnou vlnovou délku i fázi)

Aplikace: LASER (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation)

Zdroje a detektory zářeníFOTONOVÁ VAZBA

zdroj - detektor

Útlum v optických kabelech

Elektrony a díry injekované propustně polarizovaným přechodem PN navzájem rekombinují ⇒ spontánní emise

Zdroje nekoherentního záření

+ -

Ucc

R = (Ucc – ULED) / IF

ULED

IF

Spektrum generované zářivou rekombinací

Ene

rgie

EIn

tenz

ita lu

min

esce

nce

Polovodičové materiály pro optoelektroniku- přímý polovodič- vhodná šířka zakázaného pásu

- využívají se směsné polovodiče prvků III a V skupiny- několikanásobně vyšší cena materiálu oproti Si

R= r np

rychlost rekombinace je úměrná počtu elektronů ve vodivostním pásu a počtu neobsazených míst ve valenčím pásu

v rovnováze:

r – koeficient úměrnosti

Gth= Rth= r n0p0 = r ni2

v nerovnovážném stavu (při injekci, osvětlení) se koncentrace nositelů zvýšína hodnoty n = n0+Δn a p = p0+Δp, čímž dojde ke zvýšení rekombinace:

( )( )ΔppΔnnrrnpR ++== 00

)n(np r- = np r- p n r = R- G = dt

n di00th2−

ΔČasová změna koncentrace nosičů je dána rozdílem mezi G a R:

Přímá (mezipásové) rekombinace

(slabá injekce)polovodič typu P: p0 >> n0 > Δn = Δp

τ n0

n- = n p r- = dt

ndGR ΔΔ

Δ=−

nt/e)Δn(Δn τ−= 0

t

Δn,Δp

Δn(0)

Doba života minoritních nositelů náboje

Doba života minoritních nosičů

)n(np r- = dt

ndi2−

Δ

0

1prn =τ

rozsah hodnot od ms po ns

ZDROJ - krátká doba života

DETEKTOR - dlouhá doba života

Požadavky:

Zvýšení účinnosti rekombinace využitím heteropřechodu (kvantové jámy)

Propustně polarizovaný PN přechod Propustně polarizovaný PN přechods kvantovou jámou

Heteropřechodspojení dvou polovodičů s odlišnou pásovou strukturou

GaAs GaAsInAs

R ~ n.p

Svítivka - LED Light Emitting Diode

Materiál Barva světla/záření Vlnová délka [nm]

Úbytek napětí@IF=20mA [V]

SiC, GaN Modrá 450 3,6

GaP Zelená 565 2,2

GaAs0,15P0,85:N Žlutá 585 2,1

GaAs0,35P0,65:N, GaAs0,6P0,4, GaP:Zn-O Červená 635 2,0

SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu

Bílá 450 – 6504500K*

3,6

GaAs:Si Infračervené záření 820 / 900 / 950 1,5

LEDaplikace

Materiál Barva světla/záření

Vlnová délka [nm]

Úbytek napětí@IF=20mA [V]

SiC, GaN Modrá 450 3,6

GaP Zelená 565 2,2

GaAs0,15P0,85:N Žlutá 585 2,1

GaAs0,35P0,65:N, GaAs0,6P0,4, GaP:Zn-O

Červená 635 2,0

SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu

Bílá 450 – 6504500K*

3,6

GaAs:Si Infračervenézáření

820 / 900 / 950 1,5

RB=(Uout–UBE)/IB=(Uout–UBE)·h21E/IC=(5 – 0,7) ·100/0,02 = 21,5 kΩ

volíme 22 k

IC = ILED = 20 mAIB

Ioutm

Uout

IC

+5VPříklad: zelená LEDIoutm = 5 mA@5V, h21E=100, RC=?, RB =?

RB=?

UBE

RC=?+5V

RC = (UCC – UCEsat - ULED) / ILED == (5 – 0,2 – 2,2) / 0,02 = 130 Ω

ULED

katalog

Bílá LED s luminiforem

Bílá LED Materiál Barva světla/záření

Vlnová délka [nm]

Úbytek napětí@IF=20mA [V]

SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu

Bílá 450 – 6504500K*

3,6

Dichromatická LED

LASER Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation

Podmínky činnosti:1. Existence aktivního prostředí, kde nastává stimulovaná emise.

2. Existence kladné zpětné vazby

3. Zajištění inverzního obsazení hladin

TkWW

nn

⋅−−

≈)(exp 12

1

2

Normální obsazení:n2

n1

W2

W1

Inverzní obsazení (n2>n1)

⇒ stim. emise převáží nad absorpcí

Polovodičový LASER - Metody zvýšení účinnosti

planárněmikropáskový kontakt

lokalizace injekovaných elektronů a děr

vertikálnědvojitá heterostrukturakvantová jáma/tečka

Polovodičový LASER W-A charakteristikaW

att-a

mpé

rová

char

akte

ristik

a

propustný smpropustný směěr r !!!!!!

Průrazné napětí je minimální!

LASER AplikaceDatové přenosyvlnové délky 0.85, 1.3 a 1.55 μm

Paměťová média (CD)

Polovodičový LASERs vertikálním vyzařováním VCSEL

• Llibovolný tvar a plocha• možnost 2-D integrace• nízký prahový proud• snadné pouzdření• malá divergence svazku

DistributedBragg

Reflector

Distributed Bragg Reflector

dopadající vlna

odražená vlna

λ/4 vlna s vlnovou délkou λ/4rovnou tloušťce vrstvy se odrazí v protifázi

λ

Detektory záření - fotodioda

Wg

Záření o energii h⋅ν > Wg je absorbováno v OPN

OPN svým elektrickým polem separuje elektrony a díry

VZNIKÁ FOTOPROUD

Detektory záření - Fotodioda

foton foton foton

OPN

princip – oblast prostorového náboje přechodu PN slouží k separacigenerovaných párů elektron-díra

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-0.5

0.0

0.5

1.0

WV

WC

NP+

OPN

+

+

- -

-

+

-

hνhν

Ene

rgie

(eV

)

Poloha (μm)

Detektory záření - fotodiodaZáření absorbováno v OPN s velkou intenzitou elektrického pole

OPN je široká ⇒ parazitni kapacita je malá ⇒ odezva je rychlá

OPN je široká ⇒ parazitni kapacita je malá ⇒ odezva je rychlá

Fotodioda

Závěrné napětí (V)

C50 mm2

10 mm2

5 mm2

1 mm2

Parazitni kapacita klesá s rostoucím UR ⇒ rychlost odezvy roste

Fotodioda - fotovodivostní režim

0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

10

20

30

Prou

d (μ

A)

Napětí (V)

-30

-20

-10

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

Napětí (V)

Inte

nsita

ozáře

ní

(mW

.cm

-2)

5

4

3

2

0

Rz

Ik

U0

=Ucc

Rz

Uvýst

Se změnou intenzity dopadajícího záření se měnínapětí Uvýst na fotodiodě.

Fotodioda - fotovodivostní režim

0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

10

20

30

Prou

d (μ

A)

Napětí (V)

-30

-20

-10

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

Napětí (V)

Inte

nsita

ozáře

ní

(mW

.cm

-2)

5

4

3

2

0

Rz

Ik

U0

=Ucc

Rz

Uvýst

Fotodioda zapojena jako spotřebič⇒ zdroj napětí + Rz

Zdroj napětí ⇒ existuje proud za tmy ⇒ menší citlivostnižší kapacita ⇒ vyšší rychlost

Fotovodivostní režim - zapojení

0 .0 0 .1 0.2 0.3 0.40

10

20

30

Prou

d (μ

A)

Napětí (V)

-30

-20

-10

00.0 0 .1 0 .2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

Napětí (V)

Inte

nsita

ozáře

ní

(mW

.cm

-2)

5

4

3

2

0

Rz

Ik

U0

=Ucc

Rz

Uvýst

Fotodioda se chovájako zdroj proudu závislýna osvětlení

Fotovoltaický režim – 4.kvadrant

0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

10

20

30

Prou

d (μ

A)

Napětí (V)

-30

-20

-10

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

Napětí (V)

Inte

nsita

ozáře

ní

(mW

.cm

-2)

5

4

3

2

0

Ish

U0

FOTOVOLTAICKÝ REŽIM

PROPUSTNÝ SMER

-30

-20

-10

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

Ropt

Ropt

V obvodu není zapojen žádný zdroj ⇒ za tmy neteče proud!⇒ vhodné pro měření nízkých intenzit záření

Na PN přechodu nulové čí propustné napětí ⇒ velká kapacita OPN⇒ nízká rychlost odezvy

Fotodioda se chová jako zdroj ⇒ sluneční články

Fotovoltaický režim – sluneční článek

0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

10

20

30

Prou

d (μ

A)

Napětí (V)

-30

-20

-10

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

Napětí (V)

Inte

nsita

ozáře

ní

(mW

.cm

-2)

5

4

3

2

0

Ish

U0

FOTOVOLTAICKÝ REŽIM

PROPUSTNÝ SMER

-30

-20

-10

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Prou

d (μ

A)

Ropt

Ropt

+

-

dioda brání vybíjeníbaterie

Fotovodivostní vs. fotovoltaický režim

Fotovodivostní režimpoužijeme, pokud

je prioritou maximální rychlost

Fotovoltaický režimpoužijeme, pokud

je prioritou nízký šumnebo energetická účinnost

Spektrální charakteristika slunečního záření

Výkon dopadající na Zemi 1.37 kW/m2

Typy fotovoltaických (FV) článků

• FV články na bázi mono(poly)krystalickéhokřemíku (1. generace), pokrývají 85% trhu, stále se vyvíjí a zvyšuje se účinnost (až na 19,3%); maximální účinnost stanovena Shockley-Queisserovým (SQ) limitem na 33,7%.

• FV články využívající tenkých absorpčních filmů polovodičů, barvivem zvýšená citlivost nanočástic oxidů nebo také vodivé polymery; samotná polovodičová vrstva je mnohonásobnětenčí

• FV fólie z mnoha vrstev prvků, kde PN přechod tvoří nanotechnologiemi vytvořenávrstva (tzv. inkoust) obsahující např. měď, indium, galium a selen

• Články na bázi nanostruktur a kvantových teček, díky kterým lze zefektivnit vnitřníkvantové procesy

Křemíkové články

Výhody• Zvládnutá výroba• Velmi levné• Odolné

Nevýhody• Nižší účinnost• Energetická náročnost

• Nejrozšířenější typ FV článku• Existence několik desítek let

Mnohovrstevné článkyJeden ze způsobů jak zvýšit účinnost je konstrukce s kaskádovitým upořádáním více vrstevného článku z různých polovodičových sloučenin s různými velikostmi zakázaných pásů

Výhody- Snižována tepelná ztráta způsobená

ochlazováním horkého nosiče díky fononové emisi

- Spektrum absorbovaných fotonů je výrazně vyšší – vyšší účinnost

Nevýhody- Velmi drahé typy článků (používané např.

v družicích - nemají šanci prorazit na trhu- Limitem účinnosti nekonečně mnoha

vrstev perfektně přizpůsobených slunečnímu spektru je 66% (u koncentrátorových článků až 86%)

Vývoj účinnosti slunečních článků

Koncentrátorové systémy