Optoelementi by Madeško Mirsad

Maturski rad Optoelektronske poluprovodničke komponente

UVOD

U današnje vrijeme prenošenje signala se vrši kombinovano pomoću struje i svijetlosti. Posebna nauka odnosno dio elektronike koji se bavi ovom problematikom naziva se optoelektronika. Optoelektronske ili fotoelektronske poluprovodničke komponente pretvaraju svjetlosnu energiju u električnu ili vrše obrnutu transformaciju.

Postoji više teorija o prirodi svijetlosti, od one koja kaže da je svijetlost kretanje čestica emitovanih iz izvora svjetlosti (Njutnova - Isaak Newton), zatim teorija da je svjetlost mali dio širokog spektra elektromagnetnih talasa (Maksvelova - D.Maxwell).Svjetlost je elektromagnetno zračenje koje ima talasno - korpuskularnu prirodu. Opseg talasnih dužina svjetlosti ide od 10nm - ultraljubičasti dio spektra, do 106nm - infracrveni dio. ). Opseg vidljive svjetlosti za ljudsko oko je od 380 nm (ljubičasta boja), do 750 nm (crvena boja). Spektralna karakteristika oka, def. kao subjektivan osjećaj sa kojim oko vidi monohromatsku svijetlost različitih boja i istog intenziteta, prikazana je na slici :

Vidi se da oko najbolje registruje zelenu boju, a znatno lošije ljubičastu i crvenu. Svjetlosne čestice se nazivaju fotoni odnosno svjetlosni kvant. Taj pojam uveli su Max Planck i A.Einstein koristeći kvantnu teoriju. Energija fotona se određuje izrazom:

W = hf = hC/ h - Plankova konstanta (4,137 • IO-15 eVs) f i - frekvencija i talasna dužina svjetlosti C - brzina svjetlosti (3 • 108 m/s)Rad optoelektronskih poluprovodničkih komponenata se zasniva na prelast-elektrona između valentnog i provodnog opsega. Smjer kretanja elektrona pri prelasku je suprotan kod apsorpcije i kod emisije svjetlosti.Na osnovu međusobnog (interaktivnog) djelovanja između elektrona i fotona u atomima zasniva se fotoelektrični efekat. Interakcija fotona i

Mirsad Madeško IV-5 mentor: Džigal Alija-2-


elektrona je, ustvari, razmjena energije koja se odvija između jednog fotona i jednog elektrona u dva smjera. Naime, jedan foton određene energije djeluje na elektron. Elektron će napustiti svoju putanju ako je energija fotona dovoljna, odnosno ona bi trebala biti veća od energije energetskog procjepa između opsega (valentni i provodni). U tom slučaju elektron napušta svoje jezgro i postaje slobodan nosilac elektriciteta. Dakle, u ovom slučaju elektron je primio odnosno apsorbovao energiju fotona i postao slobodan. Prijelaz na niži nivo, odnosno na nižu putanju, praćenje energijom jednog kvanta energije (fotona). Treba imati na umu da je energija elektrona veća ako je udaljeniji od jezgra. Pogledati sliku 2 (atom germanija).

Energija u zabranjenoj zoni Si (silicija) W = 1,1 e V, da bi elektron prešao iz valentnog u provodni opseg mora da apsorbuje najmanje 1,1 eV energije.

apsorpcija emisija

Sl.3 Energija elektronaOptoelektroničke elemente možemo podijeliti na fotodetektore i fotoelektronske izvore svjetlosti. Fotodetektori pretvaraju energiju svjetlosnog zračenja u električnu energiju, odnosno, mijenjaju svoje električke osobine pod dejstvom svjetlosti. U ovu grupu spadaju fotootpomici, fotodiode, fototranzistori itd. Fotoelektronski izvori svjet-losti direktno pretvaraju električnu energiju u svjetlosno zračenje. Ovdje spadaju svjetleće poluprovodničke diode (LIGHT EMITTING DIODE - dioda koja emituje svjetlost), laseri itd.

Fotodetektori


Provodni opseg

Valentni opseg


Slika 4 predstavlja presjek poluprovodnika čija je gornja površina osvijetljena.

Sl. 4. Poluprovodnik izložen djelovanju svjetlosti

Potoni pogađaju atome poluprovodnika i stupaju u interakciju sa elektronima. Elektroni apsorbuju energiju i ona im omogućava da napuste valentnu zonu i postanu slobodni, a na njihovim mjestima u kristalnoj rešetki ostaju šupljine. Na svoj način fotoni u poluprovodniku izazivaju nastajanje parova slobodnih elektron - šupljina. Ustvari, djelovanjem svjetlosti na površinu poluprovodnika dolazi do promjene njegovih osobina, zbog povećanja broja slobodnih nosilaca elektriciteta dolazi do smanjenja električne otpornosti poluprovodnika. Ako se ne bi izvršilo razdvajanje parova elektron-šupljina, došlo bi do rekombinacije. Međutim, razdvajanje se ostvaruje pod uticajem sila električnog polja, tako da se na krajeve poluprovodnika priključi izvor jednosmjernog napona. Elektroni koji su slobodni kretaće se prema pozitivnom polu izvora, a Šupljine prema negativnom polu izvora. Jačina struje, stvorene na ovaj način, proporcionalna je energiji svjetlosnog zračenja koju apsorbuje poluprovodnik.

Osnovni parametri fotodetektora su:

• Osjetljivost (S), predstavlja odnos jačine struje (If) osvijetljenog fotodektora i svjetlosnog fluksa (s) koji izaziva tu struju S = If / s.Osjetljivost predstavlja struju I koja nastaje djelovanjem svjetlosnog fluksa s, a mjeri se lm / m. Jedinica za osvijetljenost je lux, (oznaka lx). Lux je neka jednoliko osvijetljena površina od l m2 na koju pada svjetlosni tok od l lumena (lm). Svjetlosni fluks (ili tok) je svjetlosna energija emitovana ili apsorbovana u jedinici vremena. Jedinica za svjetlosni tok je lumen (oznaka lm) u jediničnom prostornom uglu;• Frekventna karakteristika fotodetektora predstavlja zavisnost njegove struje od brzine promjene (frekvencije) svjetlosnog fluksa koji je uzrokuje If =f(f)Spektralna karakteristika, predstavlja zavisnost struje fotodetektora od talasne dužine () svjetlosti koja je uzrokuje If =/();



• Nivo šuma fotodetektora je nivo slučajnh promjena izlazne struje ili napona koje nisu uzrokovane promjenom osvijetljenosti fluksa.

Podjela fotodetektoraFotodeteklori se mogu svrstati u sljedeće grupe:

o Fotoemisioni elementi su oni u kojima se pri djelovanju svjetlosti oslobađaju elektroni i napuštaju površinu fotoosjetljivosti materijala. Ova pojava se naziva foto-elektronska emisija. Posebno dolazi do izražaja ako se materijal izloži djelovanju svjetlosti u vakuumu. Fotodiode su predsrvnici ovih elemenata.

o Fotokonduktivni elementi (fotoprovodni elementi) su oni kod kojih se pod dejstvom svjetlosti mijenja koncentracija slobodnih nosilaca, odnosno električna provodnost. Predstavnici ovih elemenata su fotootpornici. Fotogencratorski elementi proizvode ems. (elektromotorna sila) na svojim izvodima pod djelovanjem svjetlosnog zračenja. Predstavnici su solame ćelije, koje energiju sunčevog zračenja pretvaraju u električnu energiju.

FotootporniciKao što je rečeno, kod fotokonduktivnih (fotoprovodnih) elemenata se vrši apsorpcija fotona svjetlosti u poluprovodniku što povećava koncentracijunjegovih slobodnih nosilaca i mijenja električnu provodnost. Ako se na fotokondukti-van elemenat priključi napon, onda se kroz njega uspostavlja struja, čija jačina zavisi od intenziteta svjetlosti. Na tom principu je zasnovan rad fotootpornika konstrukcija fototpornika je prikazana na slici 5 i princip rada:

Sl. 5 Na keramičkoj pločici sl. 1 je postavljen tanak sloj poluprovodnika jednog tipa, na primer N, na čijim su krajevima vezane metalne elektrode kao spoljni izvodi. Kućište ima stakleni prozor ili sočivo za prolazak svetlosti do poluprovodnika. Otpornost folootpornika je najveća u mraku, i u kolu na slici teče malu struja 160. Ako se osvijetli



svjetlošću čija lalasna dužina daje energiju fotona veću od energetskog procjepa poluprovodnika, broj slobodnih nosilaca elektriciteta se povećava, tako da otpornost poluprovodnika opada. Vanjski izvor (baterija) jednosmjernog napona R uzrokuje elektrostatičko polje u fotootporniku, tako da sile tog polja sprečavaju ponovnu rekombinaciju elektrona i šupljina. Elektroni odlaze ka pozitivnom polu izvora a šupljine prema negativnom polu izvora, što dovodi do porasta struje u vanjskom kolu. To znači da se usljed djelovanja svjetlosti jedan njen dio pretvorio u električni signal. Grafički simboli fotootpomika prikazan je na slici 6.

Na slici 7. prikazana je struktura fotootpornika

Na podlogu, koja je najčešće od keramike, nanosi se sloj fotoosjetljivog poluprovodničkog materijala. Poluprovodnik se nanosi najčešće na podlogu taloženjem isparenog materijala, ili sinterovanjem poluprovodničkog praha na visokoj temperaturi. Sinterovanje je otapanje razmrvljene tvari na čvrstu masu grijanjem bez topljenja. Na krajevima pločice se pričvršćuju izvodi, pomoću metalnih kontakta, pomoću kojih se fotootpornik spaja u električno kolo. Fotootpornik se zatvara u kućište (plastično ili metalno) koje ima ugrađen "prozor" od provodnog materijala (staklo ili plastika) kroz koji svjetlost djeluje na fotoosjetljivu površinu

Otpornost fotootpomika zavisi i od temperature jer njen porast povećava sopstvenu koncentraciju slobodnih nosilca. Ovaj efekat



treba svesti na najmanju mjeru kod foto-provodnih elemenata da bi se postigla zavisnost koncentracije slobodnih nosilaca elektriciteta samo od svjetlosti. To je moguće izvesti biranjem poluprovodnika sa većim energetskim procjepom, a to dovodi do smanjenja sopstvene koncentracije u polu-provodniku a time i do smanjenja značaja njene promjene sa temperaturom. Sljedeća slika predstavlja dijagram zavisnosti struje I od svjetlosnog fluksa (). Ovaj dijagram se naziva i svjetlosna karakteristika fotootpomika, s tim da je napon na krajevima fotootpomika konstantan. Pri većim vrijednostima svjetlosnog fluksa nastaje strujno zasićenje, Što se vidi na slici 9.

Brzina rada fotokonduktivnih elemenata, uvjetovana je vremenom koje protekne od promjene jačine svjetlosti do pojave promjene otpornosti poluprovodnog materijala. Ovo vrijeme je malo i reda je

milisekunde (ms), što je posljedica procesa stvaranja slobodnih nosilaca elektriciteta pod djelovanjem svjetlosti. Fotootpornici se koriste u jednostavnim instrumentima za mjerenje osvijetljenosti (svjetlomjeri), te kao detektori svjetlosti u raznim alarmnim uređajima. Na slici 10. pokazana je jedna od shema svjetlomjera.

Fotonaponski elementi

Fotonaponski poluprovodnički elementi sadrže PN spoj. Pod dejstvom svet-losti u njima se stvaraju slobodni nosioci prelaskom elektrona, koji je primio energiju fotona, iz valentne u provodnu zonu. Elektroni i šupljine, koji se generišu u dijelu PN spoja dalje od oblasti prostornog



tovara, ne mogu da opstanu zbog velike koncentracije okolnih slobodnih nosilaca sa kojima se rekombinuju. Međutim, elektroni i šupljine, koji se generišu u oblasti prostornog tovara, nastaju u zoni jakog električnog polja. Pošto je koncentracija slobodnih nosilaca u oblasti prostornog lovara mala, nema rekombinacije, već jako električno polje šalje fotogenerisane šupljine ka anodi, a elektrone ka katodi. Ako se krajevi fotonaponskog elementa spoje, kroz njih proti će struja pod dejstvom svjetlosti. Njena jačina je direktno srazmerna intenzitetu svjetlosti.Folonaponski elementi se koriste kao detektori prisustva ili intenziteta svjetlosti u elektronskim kolima ili kao izvori električne energije na bazi sunčeve svjetlosti. U prvu grupu spadaju fotodiode i fototranzistori, a u dragu foumltaične ćelije.

Fotodiode

Konstrukcija, simbol i statičke karakteristike poluprovodničke fotodiode su dati na slici 11. Kroz stakleni prozor ili sočivo, svjetlost pada na PN spoj. Pošto se fotogenerisani elektrčini i šupljine na mjestima dalje od spoja brzo rekombinuju u uslovima velike koncentracije slobodnih nosilaca. N sloj poluprovodnika se pravi kao veoma tanak. Fotoni, kada dospiju u oblast prostornog tovara, stvaraju slobodne nosioce koji se dejstvom jakog polja u toj oblasti razdvajaju tako da Šupljine idu prema anodi, a elektroni prema katodi. Na taj način se generiše fotostruja srazmjerna intenzitetu svjetlosti. Ova struja je mala i ne može doći do izražaja pri direktnoj polarizaciji diode. Stoga se fotodiode koriste isključivo u režimu inverzne polarizacije s tim da se preduzmu sve konstruktivne mjere da struja zasićenja diode, definisana jednačinom bude što manja (jače dopiranje, niska radna temperatura fotodiode postignuta hlađenjem i slično). Struja zasićenja fotodiode se naziva i struja mraka, kriva (a) na slici 11. Prema tome, struja fotodiode ima dvije komponente: fotostruju lf i struju kroz PN spoj ostvarenu dejstvom napona polarizacije Zavisnost folostruje od intenziteta svjetlosti je linearna, jer se pri dvostrukoj jačini svjetla generiše dvostruko veći broj slobodnih nosilaca putem apsorpcije fotona.



Sl. 11

U cilju povećanja brzine odziva na promjene intenziteta svjetlosti, fotodiode se kostruišu sa ubačenim slabo doniranim slojem poluprovodnika ' između P i N oblasti, slika 11 . Time se dobiva mala kapacitivnost prostornog tovara, jer se on raširi preko cijelog osiromašenog sloja poluprovodnika. Tako konstruisane fotodiode se nazivaju PN fotodiode.Fotodiode daju malu fotostruju, nekoliko stotina mikroampera pri jačini svjetlosti reda o,1 1m/cm2.Povećanje struje kroz povećanje površine PN spoja je neprihvatljivo zbog porasta kapacitivnosti koja usporava rad fotodiode. Uvećanje fotostruje se može postići inverznom polarizacijom diode tako, da ona uđe u oblast lavinskog proboja, odnosno da se aktivira lavinski efekat. Time se svaki fotoelektron umnožava M puta, ali zavisnost struje od jačine svjetlosti nije više linearna. Na opisanom principu rade lavinske fotodiode, koje predstavljaju najoseitljiviji fotonaponski element. Njihova brzina rada je nešto manja u odnosu na PIN fotodiodu zbog vremena potrebnog za multiplikaciju nosilaca. Međutim, posto daje vetu struju, lavinsku foiodiodu je moguće opteretiti manjom otpornošću potrošača sa koga se detektuje korisni signal. Kako je minimalni prihvatljiv nivo korisnog signala unaprijed određen. Kako je minimalni prihvatljiv nivo korisnog signala unaprijed određen slijedi da će lavinska fotodioda raditi sa manjom vremenskom konstantom od PIN fotodiode, a to znači da će imati veću brzinu odziva na promjene intenziteta svjetlosti.



Spektralna karakteristika fotodiode pokazuje zavisnost njene struje od talasne dužine svjetlosti konstantnog intenziteta. Njen oblik se određuje izborom vrste materijala poluprovodnika prema potrebnom energetskom procjepu E za dobijanje najveće osjetljivosti na odabranu vrstu u svjetlosti. Posebno su interesantne infracrvene fotodiode za detekciju toplih objekata u prirodi, koji emituju infracrvene zrake.

Fototranzistori

Fototraniistori su bipolarni tranzistori koji koriste apsorpciju svjetlosti za generisanje slobodnih nosilaca kao i fotodiode, s tim da se pomoću mehanizma strujnog pojačanja, pri istoj jačini svjetlosti dobiva veća kolektorska struja od struje fotodiode. Naime, inverzno polarisani kolektorski spoj se izlaze dejstvu svjetlosti. Generisana fotostruja dospijeva u bazu fototranzistora i daje 3 puta veću struju kolektora, ako postoji spoljni napon između kolektora i emitora koji inverzno polariše kolektorski spoj. Ovaj napon je nužan da obezbjedi radne uslove tranzistora u kojima on posjeduje dovoljno veliko strujno pojačanje B- Da bi ukupna kolektorska struja bila proporcionalna intenzitetu svjetlosti i da bi se izbjeglo njeno maskiranje, fototranzisior se ne polariše spoljnom baterijom u kolu baza - emitor. Na taj način, u mraku struja fntotranzisiora je jednaka struji curenja između kolektora i emitera, a to znači da se može zanemariti. Kada se koletorski spoj osvijetli, fotostruja pobuđuje bazu tranzistora, U cilju dobivanja što veće kolektorske struje, treba usmjeriti cijelokupnu fotostruju u bazu, Što se lako postiže ostavljanjem baznog priključka da bude slobodan. Prema tome. fototranzisior se korist polarisan kao za rad u aktivnom režimu, ali sa nepriključenom bazom.Konstrukcija, simbol i statičke karakteristike foto tranzistora su pokazani na slici. Da bi se dobila što veća kolektorska struja za određen intenzitet svjetlosti, treba osvijetliti čto veću površinu kolektorskog spoja, što sa druge strane povećava njegovu kapacitivnost i usporava rad tranzistora. U cilju povećanja brzine odziva na promjenu intenziteta svjetlosti



funkcija brzog fototranzistora se može postići vezivanjem katode PIN fotodiode na kolektor i anode na bazu standardnog bipolarnog tranzistora. Na taj način brži fotonaponski element pobuđuje standardni brži tranzistor.Treba istaći da je zavisnost kolektorske struje folotranzistora od jačine svjetlosti znatno nelinearni nego kog fotodiode, zbog nelinearne zavisnosti koeficijenta strujnog pojačanja od veličine struje kolektora. Pored bipolarnog, postoje i fotofet tranzistori. Kod njih se PN spoj gejt-kanal izlaze

dejstvu svjetlosti koja generise fotostruju gejta. Fotofet se koristi polarisan sa dvije baterije tako, da radi u režimu zakočen ja kada nema svjetlosti. Pri tome se na red sa baterijom, koja inverzno polariše spoj gejt-sors, mora staviti otpornik na kome će fotostruja gejtu stvarati suprotan pad napona u odnosu na bateriju. Postoje i fototiristori, kod njih se dejstvodi svedosti vrti uključivanje. Osveti java se PN spoj koji odgovara kolektorskora spoju NPN tranzistora (videti sliku 6.1). Generisana fotostruja teče u gejt i izaziva uključenje tiristora na isti način kao i struja dovedena iz spoljne baterije.



Fotogenerator

Radi na istom principu kao i fotodioda. To je poluprovodnički element sa jednim PN spojem i dva izvoda. Naime, ovi elementi pretvaraju energiju Sunčevog zračenja u električnu energiju i još se nazivaju solarne ćelije ili fotonaponske ćelije.

Naime, osvijetljeni PN spoj fotogeneratora apsorbuje fotone koji mu prodaju svoju energiju, i ako je njihova energija veća od energije energetskog procjepa poluprovo-dnika, dolazi do otvaranja parova slobodnih elektron-šupljina pa se poveća koncentracija manjinskih nosilaca u zaprečnom sloju PN spoja.Djelovanjem elektrostatičkog polja, koje je uzrokovana prostornim opterećenjem, potpomognuti su razdvajanje i transport fotogenerisanih slobodnih nosilaca, (manjinskih). Naime, manjinski nosioci napuštaju zaprečni sloj, a većinski ostaju u svojim oblastima. Zbog toga u p i n oblastima se stvara velika koncentracija većinskih nosilaca elektriciteta, koja se na izvodima

fotogenertora javlja kao fotoeiektromotoma sila. Ako se izvodi fotogeneratora spoje preko otpornika, kroz kolo će poteći struja koja je sraz-mjerna djelovanju svjetlosnog fluksa na površinu fotogeneratora. Slika 16. predstavlja zavisnost napona u praznom hodu, tj. gustine struje kratkog spoja Ik od promjene svjetlosnog fluksa ( )



Fotogeneratori su osnovni izvor električne energije u kosmičkim letjelicama. S obzirom da se ovi elementi nazivaju i solame ćelije, glavni njihov nedostatak je visoka cijena proizvodnje i uzak stepen korisnog djelovanja (odnos dobijene i apsorbovane energije) koja iznosi oko 10% za silicijske ćelije.

Fotoelektronski izvori svjetlosti

Svjetlosni izvori su elementi koji konvertuju električnu energiju u energiju svjetlosnog zračenja. Pored toga što se koriste za osvjetljenje, ovi izvori se koriste i za vizuelno pokazivanje informacija. Zato se koriste izvori različitih konstrukcija: sijalice sa usijanim vlaknom, gasne cijevi, "Niksi" (Nixie) cijevi, itd. Danas su posebno usavršeni elementi za prikazivanja inforamcija. Naime, automatizacija proizvodnih procesa, izgradnja velikih sistema za daljinsko upravljanje, velika primjena računara, doveli su gotovo do savršenstva elemente za pokazivanje informacija. Najpoznatiji fotoelektronski izvori su svjjetleće diode (Light Emilting Diode), odnosno dioda koja emituje svjetlost.

LED dioda (LIGHT EMITTING DIODE)LED diode ili svjetlosne diode su poluprovodnički elementi sa jednim PN spojem u kojem se vrši konverzija električne energije u energiju svjetlosnog zračenja. Rade na principu davanja energije emitovanjem fotona kada se u diodi izvrši rekombinacija slobodnog elektrona i šupljina, odnosno kada slobodni elektron pređe iz provodne u valentnu zonu. Na slici 6.20. je predstavljen presjek svijetleće diode.

Prilikom proticanja struje kroz PN spoj, koji se uvijek polarizuje u direktnom smjeru, poluprovodnički materijal emituje svjetlost. Ta se pojava naziva efekat elektroluminiscencije. Ova pojava je uočljiva samo kod nekih poluprovodničkih materijala. LED diode se prave od materijala sa energetskim procjepom između (1,7 - 3,5) eV. Najčešće se koriste galijfosfid, (GaP, AW = 2,3 e V) zelene boje i galij-arsenid-fosfid (GaAsP, AW = 2 eV), nijansa crvene boje. LED dioda emituje nekoherentnu svjetlost, što znači da emitovani fotoni imaju različite talasne dužine, faze i polarizacije. Da bi došlo do emisije svjetlosti LED diode, mora se u njoj ostvariti rekombinacija slobodnih nosilaca. To se ostvaruje tako što se dioda priključi na vanjski izvor, i to tako da je



anoda na pozitivnom polu izvora priključena, a katoda se priključuje na negativni pol izvora, U tom slučaju smanjuje se širina zaprečnog sloja i dolazi do injektovanja glavnvih nosilaca iz jedne u drugu oblast (odnosno Šupljina u N oblast, elektrona u P oblast). Injektovani elektron i šupljine postaju u novim oblastima manjinski nosioci elektriciteta, tako da dolazi do međusobnih rekombinacija. Prilikom rekombinacije oslobađa se, u obliku svjetlosnog zračenja, energija koja je srazmjerna širini energetskog procjepa poluprovodničkog materijala od kojeg je dioda izgrađena. Prilikom rekombinacije oslobađa se jedan kvant energije (foton).Prema obrascu W= hf= hc / => = hc/W (mm)Pri čemu je: h Plankova konstanta; c je brzina svjetlostiZnači daje talasna dužina emitovane svjetlosti obrnuto srazmjema razlici energetskih nivoa koje je prešao elektron. Odnosno, elektromagnetno zračenje LED diode dobija se na račun električne energije iz baterije. Emitoavni fotoni lakše izlaze u okolinu kao svjetlost ako je P oblast (bliža prozoru) što tanja. Tanak P sloj lakše omogućuje izlazak fotona u okolinu. Na slici 18 je predstavljen grafički simbol LED diode (a), kao i jednostavno kolo sa LED diodom (b).

Sto se tiče brzine odziva, svjetleće diode su sporije od standardnih dioda zbog veće kapacitivnosti PN spoja čije su dimenzije veće da bi svjetleća površina bila dovoljno velika. LED diode se koriste kao izvor svjetlosti čija se efikasnost defniše kao odnos energije emitovane svjetlosti i uložene električne energije. Koriste se kao indikatori kada emituju vidljivu svjetlost na komandnim tablama u avionima, brodovima. Koriste se i kao pretvarači električnog signala u svjetlost za potrebe prijenosa signala kroz optičke kablove u telekomunikacijama. Svjetleća dioda se ugrađuje u metalizirana ili plastična kućišta, najčešće cilindričnog oblika, pri čemu je površina s gornje strane providna (najčešće staklo, a može i plastika). Ponekad se na gornjoj površini ugrađuje sočivo ili optički filter za promjenu svjetlosti. Slika 19. pokazuje izvedbu LED diode.



Optokapler

Optokapler je složen poluprovodnički optoelektronički element koji predstavlja kombinaciju LED diode i fototranzistora i služi za prijenos električnog signala između galvanski razvodjenih električnih kola. Ovaj prijenos se ostvaruje pretvaranjem električnog signala (struje) u svjetlosni i obrnuto. Na slici 20. predstavljena je izvedba optokaplera.

Električni signal se dovodi na ulaz (između anode i katode), prethodna slika c, LED diode. Proricanjem struje kroz LED diodu izaziva se emisija svjetlosnog fluksa, koji je proporcionalan intenzitetu struje koja protiče kroz LED diodu. Svjetlosni fluks je fokusiran u bazu fototranzistora Tf, tako: ako su izvodi fototranzistora (kolektor, emiter) povezani preko potrošača, u izlaznom kolu protiče struja proporcionalna svjetlosnom fluksu, tj. ulaznom signalu. Dakle, između ulaznog i izlaznog kola ne postoji galvanski kontakt, već samo optička veza. Zavisnost struje fototranzistora nije linearna u odnosu na ulaznu struju i mijenja se sa nivoom pobude. Zato se optokapleri koriste u digitalnim kolima za prijenos informacije, tj. signala 1 i 0. Brzina odziva, kao parametar optokaplera, može se postići upotrebom PN fotodiode za pobudu tranzistora. Rad ovih elemenata ograničen je veličinom probojnog napona između diode i fototranzistora, a ograničenje osobinama materijala za izolaciju.



Optokapleri se nazivaju i optički izolatori, naime (optocoupler – engl. optička spojnica), ili optoelektronski izolatori. Konstruktivno, LED dioda i fototranzistor se stavlja u zajedničko kućište, tako da se između njih stavljaju provodni izolacioni materijali (staklo ili plastika) koji omogućuju prolazak svjetlosti, a u isto vrijeme je ostvareno i galvanske povezivanje ovih elemenata.

Svjetlosni indikatori ili pokazivači

To su optoelektronske komponente koje služe za vizuelno pokazivanje informacija u alfanumeričkom obliku (slova, brojevi, specijalni znaci). Za njih (tj. svjetlosne pokazivače) se koristi i naziv displej (engl. display prikazivanje, izlaganje, pokazivanje). Danas se displeji koriste, između ostalog, i kao pokazivači kod digitalnih mjernih instrumenata. Naime, u potpunosti su potisnuli analogne pokazivače (tj. mjerne instrumente s kazaljkom), jer predstavljaju brojnu vrijednost mjerene veličine direktno u obliku cifara. Moguće je vizuelno pokazati i informacije koje predstavljaju slova i specijalne znake. U prvoj fazi kao displeji korišteni su digitalni pokazivački elektromehaničkog tipa sa klasičnim izrazima (sijalice ili Niksi - cijevi). Danas se kao pokazivači koriste svjetlosne diode (LED) i tečni kristali LCD. (tj. LCD - Licquid Crvstal Displav, tj. tečni kristal).LED diode se koriste u indikatorima za pokazivanje cifara (numerički displej) i pokazivanje slova, brojeva i specijalnih znakova (alfanumerički displej), što pokazuje slika 21.

Indikatori s LED diodomKod indikatora sa segmentima se prave posebne konstrukcije od galijfosfida (GaP), u kojima svjetlost ima refleksije unutar segmenta, tako da cijeli segment svijetli. Svaki segment, ponaosob, predstavlja diodu. Jedna vrsta njihovih krajeva LED se jednu



veže u zajedničku tačku, a ostali ostaju slobodni za dovođenje pobudnog napona kada odgovarajući segment treba da se aktivira. Ako su katode vezane u jednu tačku, imamo displej sa zajedničkom katodom. Tačkasti indikatori, prethodna slika pod c), sadrže određen broj svjetlosnih dioda, poredanih u obliku matrice, obično 7x5, tako da se cifre ili slova pokazuju aktiviranjem (tj. paljenjem) odgovarajućih dioda. Napomenimo da i tačkasti indikatori moraju biti sa zajedničkom katodom ili anodom. Indikatorima sa LED diodama potrebno je dovesti spoljnju pobudu da bi se proticanjem glavne struje (struja većinskih nosilaca) ostvarili uvjeti za njihovu rekombinaciju, odnosno emisiju svjetlosti. Za jači intenzitet svjetlosti potrebna je i veća pobudna struja, stoje problem kod vanjskog napajanja iz baterije.

Indikatori s tekućim kristalima (Iiquid - cristal )



Neke organske materije s benzolovom strukturom molekula u tekućem stanju pokazuju stanovit red među molekulima, pa su u nekom smislu slične kristalima.

Molekule tih materija su štapićastog oblika i asimetrične grade, tako da irn centri pozitivnog i negativnog naboja ne padaju u ishi tačku, pa formiraju električni dipol. Zbog navedenih svojstava i medumolekuiamih sile ove molekule tekućih kristali) zauzimaju isti međusobno paralelni smjer u prostoru u kojem su smještene. Najčešće je to smjer oko-mil na elektrode, što ovisi o obradenosti površine elektroda s njihove unutrašnje strane (slika 24), kada smjer molekula može biti i kos prema elektrodi. Pod uticajem električnog polja dipoli mijenjaju smjer,a osim toga, malen broj električnih naboja svojim gibanjem uzrokuje lokalne poremećaje u električnom polju, sto ruši postojeći red među molekulama i ima kao posljedicu turbulenciju odnosno difuzno raspršenje svjetla, kroz tekuće kristale. Tekući kristali ne predstavljaju ni krutu ni tekuću fazu, pa se mogu nađi u više međufaza, tzv. međufaze. U slučaju da se žele upotrijebiti kao indikatori ovisni o električnom polju, upotrebljava se nomatička mezofaza kod koje su duže osi molekula međusobno paralelne. Tekući kristali smještaju se između prozirnih i električki vodljivih elektroda, koje su razmaknute svega 6 mm do 25 mm. Dok ne djeluje električno polje, taj tanki sloj tekućih kristala je proziran. Pod djelovanjem



električnog polja nastaje turbulencija i raspršivanje svjetla, kada taj sloj izgleda kao "zamrznuto staklo" Do efekta raspršivanja svjetla dolazi samo u području djelovanja električnog polja, koje je određeno oblikom i površinom elektroda. Na jednoj strani sloja tekućih kristala nalazi se sedam segmenata koji su izvedeni kao prozirne električke vodljive elektrode, dok druga strana sloja ima prozirnu, vodljivu elektrodu pravokutnog oblika, Koja pokriva površinu svih sedam segmenata. Na taj je način električno polje ograničeno samo na seg-mente, a ne na dovode do segmenata. Osim opisanog načina primjene tekućih kristala, koji je poznat kao dinamičko raspršenje, postoji još jedan način koji se koristi polarizacijom svjetla. U drugom slučaju postavljaju se s vanjske strane elektroda polarizatori. Tekući kristali u tom su slučaju u kolesteričnoj mezofazi, kada su molekule raspoređene kao helikoidna spirala, pa svjetlo prolazi uz tako raspo-ređene molekule tekućih kristala, zaokrećući polarizacionu ravninu kroz unakrsno smještene polarizatore. Djelovanjem električnog polja molekule se zaokrenu, što ima kao posljedicu neprolaženje svjetla kroz polarizatore. Kod indikatora s tekućim kristalima ne radi se o emitiranju svjetla pod utjecajem električnog polja, nego o promjeni providnosti i o pojavi raspršivanja svjetla. Postoje dva tipa indikatora sa tekućim kristalima: transparentni i reflektirajući tip. Transparentni tip ima dvije prozirne elektrode, a izvor svjetla je postavljen direktno odostraga. Svjetlo izvora se ne primjećuje, jer je postavljen sa strane; tek pomoću električnog polja dolazi do raspršivanja svjetla i na taj način do vidljivosti. Reflektirajući tip indikatora ne mora imati poseban izvor svjetla; on se koristi svjetlom ambijenta u kojem se nalazi indikator. Uz priključeni napon dolazi do raspršivanja svjetla, pa područje koje je pod utjecajem električnog polja biva vidljivo. Intenzitet reflektiranog svjetla ovisi o intenzitetu svjetla koje pada na indikator. To je posebno povoljno u jako osvijetljenim prostorijama i na danjem svjetlu, što kod drugih tipova indikatora umanjuje kontrast. Tekući kristali najviše se izvode kao sedmosegmentni numerički indikatori s jednim, tri ili četiri digita, i sve se više ugrađuju u manje instrumente, kalkulatore, satove i slične uređaje koji rade na dnevnom svjetlu uz vrlo malen potrošak električne energije. Ti indikatori troše struju od svega l mA (3 V) do 3 mA (7 V) uz sve segmetne u pogonu. Naponi napajanja su najčešće u području od 7-20 V, iako ima izvedbi koje za napajanje ne trebaju više od 3 V. Tekući kristali imaju dugo vrijeme porasta i pada pri promjeni stanja koje iznosi od 50-150 ms. To je posljedica zaostalog naboja na elektrodama, jer one s tekućim kristalima (dielektrik) između imaju određeni kapacitet. Zato se kod indikatora s tekućim kristalima ne može provesti sekvencijalni rad odnosno multipleks ako je broj digita veći od dva.



Osnovne prednosti tekućih kristala su jednostavnost i pouzdanost, vrlo malene dimenzije, pogotovo Što se tiče debljine, beznačajna potrošnja energije.

Zaključak:



Literatura:



1. Dipl. el.inž. Alija DžigalElektronika za drugi razred, Sarajevo2. Nikolić P. M., Raković D. I.: Elektrotehnički materijali, Naučna knjiga, Beograd, 1987, g], 3.3. Cvetković S., Cvetković Z.: Elektronika. Vojnoizdavački zavod, Beograd,1985, gl, 9.4. Hewletl Packard : Optoelectronics Designer's Catalog, 1986, gl. 3.6.7.5. TeSić S.: Digitalna elektronika, Naučna knjiga, Beograd, 1988, si. 269-271.

web stranice:- www.eskola.com- http://hr.wikipedia.org/ - www.elitesecurity.org- www.klik.hr

SADRŽAJ


http://www.klik.hr/

http://www.elitesecurity.org/

http://www.eskola.com/


Uvod ……………………………………………………………………………………………… . . . ..2 Fotodetektori………………………… ……….………………………… . . ………. … .. .. ..4 Fotootpornici…………………………………………………….. …… … …………. …. .. … 5 Fotonaponski elementi……… …………………………………………. .. … ….. ….. ..8 Fotodiode………………………………………………………………………………………………...9Fototranzistori …………………………………………………… …… … …… … … …. 11 Fotogenerator ……………………………………………… . . …. … .. 12 Fotoelektronski izvori svjetlosti………….……………………………………..... 14 LED dioda……………………………..……………………………………………… . . ………… 14 Optokapler……………………………………….. ……………………………… . …. .16 Svjetlosni indikatori ili pokazivači…….. …………………………………17 Indikatori sa LED diodom………………………………………… ……………….18 Indikatori sa tekućim kristalom……… ……………………………….18 Zaključak…………………………………………………. ………… ..……….. … ………… …22 Literatura…………………………………………………………..……………………………… ..23




Documents

Optoelementi by Madeško Mirsad