Tema 6: DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

6.1 Interacción entre los semiconductores y la luz. Absorción de luz con generación luminosa de pares electrón‐hueco. Generación de luz por recombinación radiativa de pares electrón‐hueco.

6.2 Fotorresistencias.Modulación de la conductividad del semiconductor. 

6.3 Fotodiodos. Circuito equivalente y aplicaciones.

6.4 Diodos emisores de luz. Emisión espontánea y estimulada. Diodos LED y láser. 

6.5 La célula solar. Circuito equivalente y  parámetros de calidad. Descripción del estado del arte. Introducción a las células avanzadas por división espectralIntroducción a las células avanzadas por división espectral.

6.6 El fototransistor.  Circuito equivalente y aplicacionesCircuito equivalente y aplicaciones.

Semiconductores

≈5Å (≈1022átomos/cm3

)

Sólidos cristalinos de enlace covalente

Red silicio

)

Banda de conducción

EGE

Banda de energíaprohibidaE

Banda de valencia

prohibida

Modelo de enlaces Modelo de bandas

Interacción de la luz con los semiconductores

GEhE ≥= ν Se libera una energía EG enforma de calor o por emisiónde un fotón de energía EG

En un trozo de semiconductor homogéneo iluminado generación =recombinación. La conductividad aumenta → fotorresistencia.

Radiación

IRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m-2)ESPECTRO:

POTENCIA LUMINOSA PL (W2)

600

g (W·m-2·eV-1)4.5E+21

Nfot (fotones·s-1·m-2·eV-1)

ESPECTRO:

400

500

2 5E+21

3.0E+21

3.5E+21

4.0E+21

Sol

LED

Sol

200

300

1.0E+21

1.5E+21

2.0E+21

2.5E+21

LED

0

100

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0E (eV)

0.0E+00

5.0E+20

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV)

ENERGÍA DEL FOTÓN E = hν = hc/λE (eV) ( )

fotóndelenergíafotones de Nº×=P fotóndelenergía

tiempo×=LP

Optoelectrónica

Dispositivos optoelectrónicos: aprovechan la interacción entre radiaciónluminosa y corriente eléctrica en materiales semiconductores

Potencia luminosaDetección Señalizaciónluminosa

Captación Emisión

DetecciónFotorresistenciaFotodiodo

SeñalizaciónDiodo LED

Potencia eléctrica

GeneraciónCélula solar

TransmisiónDiodo LED, LASER

ECL

ECL

EV

Luz,

EV

Luz,

Fotorresistencias (LDR)

GARRGA ×+=⇒×+= −−2

10

110σσ

Cambio de la conductividad de un semiconductor

2010

El fotodiodo

Diodo de unión pn iluminado. La nohomogeneidad y los contactos metálicos

i l ió d l pn

metal metal

permiten la separación de electrones yhuecos y su circulación por un circuitoexterno.

pn

i+

iL = 0

iOSCiLv

i

iL1v

iL2

_

iVvIi LSAT −

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1exp

Región de trabajo habitual de fotodiodos

GSAi

V

L

t

××=⎥⎦⎢⎣ ⎠⎝

El fotodiodo

SiO2 p

G

Contactosmetálicos n

p

Fotodiodos comerciales

Análisis de circuitos con fotodiodos

Ejercicio 1. El circuito de la figura es un circuito detector de luz, habitualmente primera etapa en aplicaciones de comunicaciones ópticas. Se pide:

a) Rango de valores de R para que el diodo esté en OFF con pL=5 mWb) Para R=1 kW , varacterística de transferencia vO(pL)c) Ganancia de pequeña señal vo/pl si pL(t)=PL+pl(t), con PL=5 mW

DATOS:VDD=5 V; Vg=0,6 V; |VZ|=4 V; S=0,5 A/W

VDD

vO

VDD

pL

vOR

Ejemplo de aplicación con fotodiodos

Emisión de luz

EC

hν

EC

hhν

EV

hν

EV

hνhν

EspontáneaLED

EstimuladaLASER

Diodo Electroluminiscente - LED: Light Emitting Diode

Diodo láser - LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

1

Vλ

0,8

0,6

0,4

0 2

555 700600500400λ (ηm)

0,2

0

Diodo LED

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1exp LED

SLED nVvIi+ ⎥⎦⎢⎣ ⎠⎝ tnV

iLED

vLED

pE

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=≡ η LED

GLEDLED iEBip

_1<==

⎟⎠

⎜⎝

ηη

η

LED

G

LEDLED

LEDenergética

LEDLEDLED

qvE

vip

qp

PLED (mW)

LEDLEDLED q

n

p 15

10

substrato 5

0

B

0 100 300 500 iLED (mA)

Algunas características

Estructuras optimizadas:

p

LED semiesférico

n

LED de emisión lateralLED semiesférico LED de emisión lateral

LED encapsulado

Semiconductores III-VGaAs ≈ 1,4 eV InfrarrojoGaP ≈ 2 3 eV Visible (verde)GaP ≈ 2,3 eV Visible (verde)GaAs1-xPx → Variable

LEDs comerciales encapsulados

Análisis de circuitos con diodos LEDEjercicio 2. Diseñe el optoacoplador de la figura de forma que una señal de entrada vI = 0-5 V sereproduzca a la salida, siendo la corriente que pasa por el LED cuando emite de 10 mA.

DATOS V 2 V B 0 2 W/A V 0 6 V S 0 5 A/W V 10 V R l ió dDATOS: VγLED = 2 V; BLED = 0.2 W/A; VγFD = 0,6 V; SFD=0.5 A/W; VCC = 10 V; Relación detransferencia pFD/pLED = 1.

R1

FD

VCC

vI LEDFD

vO R2

Ejemplo de aplicación con LEDs

Diodos láser

LED en una cavidad: se amplifican losmodos resonantes

La energía solarIRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m-2) (≅1 kW·m-2 un día p p ( ) (despejado a mediodía)

g (W·m-2·eV-1) Nfot (fotones·s-1·m-2·eV-1)ESPECTRO:

500

600

g ( )

3.5E+21

4.0E+21

4.5E+21fot ( )

300

400

1 5E+21

2.0E+21

2.5E+21

3.0E+21

0

100

200

0.0E+00

5.0E+20

1.0E+21

1.5E+21

ENERGÍA DEL FOTÓN E = hν

00.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV)0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV)

ALGUNAS CIFRAS:En promedio, sobre la Tierra, 4 kWh·m-2/día. Con 10% de eficiencia…

Consumo de una familia: 50 m2Consumo de una familia: 50 mCentral nuclear o de carbón de 1 GW: 60 km2 (7.5 km×7.5 km )Consumo mundial de energía: menos que el área cubierta por carreteras

El efecto fotovoltaico y la célula solar

Un trozo de semiconductor homogéneoUn trozo de semiconductor homogéneoiluminado se calienta (Generación =Recombinación).

metal metalDiodo de unión pn iluminado. La nohomogeneidad y los contactos metálicospermiten la separación de electrones yhuecos y su circulación por un circuito

pn

huecos y su circulación por un circuitoexterno.

El efecto fotovoltaico consiste en la conversión directa deenergía luminosa en energía eléctrica mediante los procesosque ocurren en el interior de los semiconductoresq

El efecto fotovoltaico y la célula solar

1. GENERACIÓN. Un electrón adquiere la energía E=hν>EG de un fotón

Ó

TRES PROCESOS:

Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo

2. RECOMBINACIÓN. Un electrón cede la energía EG en forma de calor

3. CORRIENTE EXTERNA. Un electrón cede la energía qV < EG a la carga externa

Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo

Contacto n

3 R (carga)

Contacto p

EG qV<EG1 2

Contacto p

La célula solar I(3)

(1) (2)(3)

( )1−−=−= tVVSATLDL eIIIII IDIL V

+

R(1) (2)(1) (2)(3)

VIP MMeléctrica

_(1) (2)

CortocircuitoPunto de

máxima potencia

( ) LSC IIVI =≡= 0GAPMM

×==

luminosa

eléctricaη

ISCIM

p

I

( )( )1ln0

+==≡=

SATLt

OC

IIVVIV

V

Circuito abierto

VM

VOC

V

Células solares industriales

Diodo de gran área con contacto frontal transparente

Célula de Si100 μm

0.5 μmμ

10 μm0.2 cm

250 μm

I (A)Parámetros de la célula. Condiciones estándar.

IL es proporcional al área y lairradiancia y depende del material y elespectro: sólo contribuyen los fotones

1 kW∙m‐2, 25 ºC

1 kW∙m‐2, 50 ºC

3

I (A)

1 kW∙m‐2, 25 ºC1 kW m‐2 50 ºCp y

con E=hν>EG

,

0.7 kW∙m‐2, 25 ºC2

2.5 1 kW∙m 2, 50 ºC

0.7 kW∙m‐2, 25 ºCSPGSAI LL ×=××=

ISAT es proporcional al área y dependedel material y la temperatura

1

1.5

VOC depende del material (<EG/q) ydisminuye con la temperatura

V (V)

0.5

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6V (V)

Irradiancia, espectro y temperatura varían: definición de condiciones estándar de medida

CTG célula º25;1.5 AM espectro;kW·m 1 -2 ==

Células industriales de silicio: %16;V 620.0;A·cm 03.0 -2 ≅≅≅ ηOCL VAI

Ejercicio 1. Una célula solar equivale a un diodo en paralelo con un generador dej q p gcorriente IL. El diodo se representa con un modelo lineal por tramos. En lasdenominadas “Condiciones estándar de funcionamiento” (T = 25ºC, G=1kW/m2), setiene IL = 4.5 A, Vγ = 0.6 V, Rf = 10 mΩγ f

a) Dibuje la característica I-V de la célula.b) Señale el punto correspondiente al cortocircuito en la característica ¿Cuál es la

corriente de cortocircuito de la célula? ¿En qué estado se encuentra el diodo?c) Señale el punto correspondiente al circuito abierto en la característica ¿Cuál es el

voltaje de circuito abierto de la célula? ¿En qué estado se encuentra el diodo?d) C l l l t i á i d l él l bti d ld) Calcule la potencia máxima que puede generar la célula, que se obtiene cuando el

diodo trabaja en el límite entre los estados de ON y de OFF, y su eficiencia.e) Calcule la resistencia de carga que habría que poner en los terminales de la célula

para que trabajase entregando la máxima potenciapara que trabajase entregando la máxima potencia.f) Repita los apartados a-e si la irradiancia es de 0.8 KW/m2 la temperatura de la

célula de 50 ºC

DATOS: A = 150 cm2; dVγ/dT= -2 mV/ºC

El módulo fotovoltaico

Nivel adecuado de V, I y P: asociación de células en serie y paralelo

Protege las células de la intemperie (humedad, fatiga térmica, radiación UV, abrasión)

Aislamiento eléctrico y rigidez estructural

marco de aluminio

vidrio

junta de silicona

encapsulanteencapsulante

plástico

célulacélula

Ejercicio 2. Un módulo fotovoltaico contiene 72 células como las del ejercicio 1, conectadas endos series de 36 y éstas a su vez en paralelo.

a) En condiciones estándar, diga cuál es la corriente de cortocircuito, el voltaje de máxima potencia la potencia máxima y la eficiencia del módulo y con qué resistencia de carga sepotencia, la potencia máxima y la eficiencia del módulo y con qué resistencia de carga se obtendría. Esboce su característica I-V.

b) El módulo está cargando una batería de tensión VBAT=14V. Dibuje el circuito, represente lacaracterística I-V de la batería sobre la del módulo y calcule el valor de la corriente y latensión de éste.

c) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento enc) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento encondiciones estándar? ¿Cuánta energía?

Fototransistor npn

i

Luz

CiC

PlC

iC

s Pl

ECB

↔

EiE Ei

l

↔

E

FototransistorFototransistor:

EiE

LuzFototransistor:Transistor de oscuridad +Fuente de corriente

• Un fototransistor es un transistor bipolar bajo iluminación en la unión Base‐Colector y anulando el terminal de base.• La unión base colector se comporta como un fotodiodo• La unión base colector se comporta como un fotodiodo• El fototransistor equivale a un transistor bipolar en oscuridad con una fuente de corriente entre Base y Colector

Fototransistor

Aproximación en activa con las ecuaciones Ebers‐MollEjemplo: npn

iCiCB

C

s pLCiC

C

iCiC

βF iBiB

Bs pL

s(1+βf) pLBiB

EEiEE

Dispositivo de dos terminales → 1 ecuación característica: 

iC=A pL donde A es una constante A=s (1+βf), es decir es una fuente de corriente cuyo valor depende de la potencia luminosa incidente pL.y p p pLSe comporta como el fotodiodo en inversa con una α mayor

Fototransistor pnp

Ei

en activaEiE

EiE

Pl α Pl E

↔

CiCCi i

α(1+βf) Pl

iC

Fototransistor Fototransistor:T i t d id d +

iCC

Transistor de  oscuridad +Fuente de corriente

Aplicación: optoacoplador (también llamado optoaislador)

(Este IF

(empaquetado trae dos optoacopladores)

Característica de entradaCaracterística de salida:

Característica de entrada (Curva I-V del diodo LED)

Corriente del diodo LED como parámetro