FAKULTET POLITEHNIKIH NAUKA ELEKTROTEHNIKA TELEKOMUNIKACIJE
Osnovi fotoelektronskih komponenataSEMINARSKI RAD
Predmet:Elektroniki elementi i sklopoviMentor: Student:dr sci.
Miladin juroevi Keranovi EnisAsistent: PT-140/14-II V.asist Alija
Jusi
Mart 2015.
SADRAJ
1.UVOD32. FOTODIODA43. FOTOTRANZISOTRI64. FOTOGENERATOR75.
SVIJETLEE DIODE ( LED)96. OPTOKAPLER107. POLUPROVODNIKE LASERSKE
DIODE128. ZAKLJUAK159. LITERATURA16
1.UVOD
U dananje vrijeme prenoenje signala se vri kombinovano pomou
struje i svijetlosti.Nauka ili tanije dio elektronike koji se bavi
prouavanjem ove problematike naziva se optoelektronika ili
fotoelektronika.Fotoelektronske poliprovodnike komponente
pretvaraju svjetlostnu energiju u elektrinu ili vre obrnutu
transformaciju.Postoji vie teorija o prirodi svijetlosti, od one
koja kae da je svijetlost kretanje estica emitovanih iz izvora
svjetlosti (Njutnova - Isaak Newton), zatim teorija da je svjetlost
mali dio irokog spektra elektromagnetnih talasa (Maksvelova -
D.Maxwell).Svjetlost je elektromagnetno zraenje koje ima talasno -
korpuskularnu prirodu. Opseg talasnih duina svjetlosti ide od 10nm
- ultraljubiasti dio spektra, do 106nm - infracrveni dio. Opseg
vidljive svjetlosti za ljudsko oko je od 380 nm (ljubiasta boja),
do 750 nm (crvena boja). Spektralna karakteristika oka, def. kao
subjektivan osjeaj sa kojim oko vidi monohromatsku svijetlost
razliitih boja i istog intenziteta,prikazana je na sljedeoj
slici:
Slika 1. spektralna karakteristika ljudskog oka
2. FOTODIODA
U elektronici diod je termo-elektronski element koji proput
struju smo u jednom smjeru. Kd se ke diod njee se misli n
poluprovodnu diodu, postoji i vkumsk dioda. Jedn specijln vrst
diode je fotodiod. Fotodiod je vrst fotodetektor, to su senzori
koji detektuju svijetlo, koji im mogunost pretvrnj svijetl u
odgovrjui npon ili struju. Fotodiode su tkoe sline obinim
poluprovodnim diodm.Konstrukcija, simbol i statike karakteristike
poluprovodnike fotodiode su dati na slici 1. Kroz stakleni prozor
ili soivo, svjetlost pada na PN spoj. Poto se fotogenerisani
elektrini i upljine 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 upljine idu
prema anodi, a elektroni prema katodi. Na taj nain se generie
fotostruja srazmjerna intenzitetu svjetlosti. Ova struja je mala i
ne moe doi do izraaja pri direktnoj polarizaciji diode. Stoga se
fotodiode koriste iskljuivo u reimu inverzne polarizacije s tim da
se preduzmu sve konstruktivne mjere da struja zasienja diode,
definisana jednainom bude to manja (jae dopiranje, niska radna
temperatura fotodiode postignuta hlaenjem i slino). Struja zasienja
fotodiode se naziva i struja mraka, kriva (a) na slici 1. 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 jaini svjetla generie dvostruko vei broj slobodnih
nosilaca putem apsorpcije fotona.
Slika 2. fotodiodaU cilju poveanja brzine odziva na promjene
intenziteta svjetlosti, fotodiode se kostruiu sa ubaenim slabo
doniranim slojem poluprovodnika ' izmeu P i N oblasti, slika 1 .
Time se dobiva mala kapacitivnost prostornog tovara, jer se on
rairi preko cijelog osiromaenog sloja poluprovodnika. Tako
konstruisane fotodiode se nazivaju PN fotodiode.Fotodiode daju malu
fotostruju, nekoliko stotina mikroampera pri jaini svjetlosti reda
o,1 1m/cm2.Poveanje struje kroz poveanje povrine PN spoja je
neprihvatljivo zbog porasta kapacitivnosti koja usporava rad
fotodiode. Uveanje fotostruje se moe postii inverznom polarizacijom
diode tako, da ona ue u oblast lavinskog proboja, odnosno da se
aktivira lavinski efekat. Time se svaki fotoelektron umnoava M
puta, ali zavisnost struje od jaine svjetlosti nije vie linearna.
Na opisanom principu rade lavinske fotodiode, koje predstavljaju
najoseitljiviji fotonaponski element. Njihova brzina rada je neto
manja u odnosu na PIN fotodiodu zbog vremena potrebnog za
multiplikaciju nosilaca. Meutim, poto daje veu struju, lavinsku
foiodiodu je mogue opteretiti manjom otpornou potroaa sa koga se
detektuje korisni signal. Kako je minimalni prihvatljiv nivo
korisnog signala unaprijed odreen. Kako je minimalni prihvatljiv
nivo korisnog signala unaprijed odreen slijedi da e lavinska
fotodioda raditi sa manjom vremenskom konstantom od PIN fotodiode,
a to znai da e imati veu brzinu odziva na promjene intenziteta
svjetlosti.Spektralna karakteristika fotodiode pokazuje zavisnost
njene struje od talasne duine svjetlosti konstantnog intenziteta.
Njen oblik se odreuje izborom vrste materijala poluprovodnika prema
potrebnom energetskom procjepu E za dobijanje najvee osjetljivosti
na odabranu vrstu u svjetlosti. Posebno su interesantne infracrvene
fotodiode za detekciju toplih objekata u prirodi, koji emituju
infracrvene zrake.
Slika 3. grafiki simboli fotodiode
3. FOTOTRANZISOTRI
Fototranzistori su bipolarni tranzistori koji koriste apsorpciju
svjetlosti za generisanje slobodnih nosilaca kao i fotodiode, s tim
da se pomou mehanizma strujnog pojaanja, pri istoj jaini svjetlosti
dobija se vea kolektorska struja od struje fotodiode. Naime,
inverzno polarisani kolektorski spoj se izlaze dejstvu svjetlosti.
Generisana fotostruja dospijeva u bazu fototranzistora i daje 3
puta veu struju kolektora, ako postoji spoljni napon izmeu
kolektora i emitora koji inverzno polarie kolektorski spoj. Ovaj
napon je nuan da obezbjedi radne uslove tranzistora u kojima on
posjeduje dovoljno veliko strujno pojaanje B- Da bi ukupna
kolektorska struja bila proporcionalna intenzitetu svjetlosti i da
bi se izbjeglo njeno maskiranje, fototranzisior se ne polarie
spoljnom baterijom u kolu baza - emitor. Na taj nain, u mraku
struja fototranzisiora je jednaka struji curenja izmeu kolektora i
emitera, a to znai da se moe zanemariti. Kada se koletorski spoj
osvijetli, fotostruja pobuuje bazu tranzistora, U cilju dobivanja
to vee kolektorske struje, treba usmjeriti cijelokupnu fotostruju u
bazu, to se lako postie ostavljanjem baznog prikljuka da bude
slobodan. Prema tome. fototranzisior se korist polarisan kao za rad
u aktivnom reimu, ali sa neprikljuenom bazom.Da bi se dobila to vea
kolektorska struja za odreen intenzitet svjetlosti, treba
osvijetliti to veu povrinu kolektorskog spoja, to sa druge strane
poveava njegovu kapacitivnost i usporava rad tranzistora. U cilju
poveanja brzine odziva na promjenu intenziteta svjetlosti funkcija
brzog fototranzistora se moe postii vezivanjem katode PIN fotodiode
na kolektor i anode na bazu standardnog bipolarnog tranzistora. Na
taj nain bri fotonaponski element pobuuje standardni bri
tranzistor.Treba istai da je zavisnost kolektorske struje
folotranzistora od jaine svjetlosti znatno nelinearni nego kog
fotodiode, zbog nelinearne zavisnosti koeficijenta strujnog
pojaanja od veliine 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 reimu zakoen ja kada
nema svjetlosti. Pri tome se na red sa baterijom, koja inverzno
polarie spoj gejt-sors, mora staviti otpornik na kome e fotostruja
gejtu stvarati suprotan pad napona u odnosu na
bateriju.[footnoteRef:2] [2: Stojan Ristic - Elektronske komponente
2010]
4. FOTOGENERATOR
Fotogenerator stvara elektromotornu silu pod uticajem
svijetlosti. To je ustvaru fotodioda koja nije prikljuena na
spoljani izvor napajanja.Pod dejstvom ugradjenog polja u prelaznoj
oblasti p-n spoja, svijetlou generisani elektroni iz prelazne i
p-oblasti prei e u n-oblast, a upljine iz prelazne i n-oblasti u
p-oblast. Uslijed prelaska ovih nosilaca naruit e se ravnotea,
anoda e se naelektrisati pozitivno, a katoda negativno. Aako
spojimo krajeve(anodu i katodu), potei e struja, to znai da se
ovakva dioda ponaa kao generator elektrine energije. Tj. ovakva
dioda, koja se esto zove solarna elija, pretvara sunevu energiju u
elektrinu. Paralelnim i rednim vezivanjem veeg broja solarnih elija
dobijaju se solarni paneli dovoljno velike elektrine energije da
mogu da napajaju manje potroae.
Slika 4. opis foto elija i solarnih panela
Danas se intenzivno radi na poboljanju karakteristika
fotogeneratora,odnosno solarnih elija. Postignuti su izuzetno dobri
rezultati, pa se u mnogim dijelovima svijeta,gdje ima dosta sunanih
dana,velikim solarnim panelima koji sadre veliki broj solarnih
elija,a koji se i kompjuterski upravljaju tako da na njih uvijek
pada najvie svijetlosti,dobijaju relativno velike koliine
energije.
Slika 5. primjeri solarnih elija
5. SVIJETLEE DIODE ( LED)
Svijetlea dioda,koje se jos naziva i LED( LIGHT-EMITING DIODE)
ili fotoluminiscentna dioda,vri obrnuti proces: elektrinu
energiju,tj elektrini signal pretvara u svijetlosnu energiju.LED
diode rade na nain da u elektron u valentnoj zoni ima manju
energiju od elektrona u provodnoj zoni za veliinu irine zabranje
zone Eg . Ako je mogua rekombinacija direktnim prelaskom elektrona
iz provodne u valentnu zonu, a kod svijetleih dioda se biraju
upravo takvi poluprovodniki materijali koji to omoguavaju,
oslobadja se tom prilikom energija ija je vrijednost jednaka Eg.
Ova energija se pretvara u foton svijetlosti energije hf=Eg. LED
diode se prave od materijala sa energetskim procjepom izmeu (1,7 -
3,5) eV. Najee se koriste galijfosfid, (GaP, AW = 2,3 e V) zelene
boje i galijarsenidfosfid (GaAsP, AW = 2 eV), nijansa crvene boje.
LED dioda emituje nekoherentnu svjetlost, to znai da emitovani
fotoni imaju razliite talasne duine, faze i polarizacije.
Slika 6. LED diodaSto se tie brzine odziva, svjetlee diode su
sporije od standardnih dioda zbog vee kapacitivnosti PN spoja ije
su dimenzije vee da bi svjetlea povrina bila dovoljno velika. LED
diode se koriste kao izvor svjetlosti ija se efikasnost defnie kao
odnos energije emitovane svjetlosti i uloene elektrine energije.
Koriste se kao indikatori kada emituju vidljivu svjetlost na
komandnim tablama u avionima, brodovima. Koriste se i kao pretvarai
elektrinog signala u svjetlost za potrebe prijenosa signala kroz
optike kablove u telekomunikacijama. Svjetlea dioda se ugrauje u
metalizirana ili plastina kuita, najee cilindrinog oblika, pri emu
je povrina s gornje strane providna (najee staklo, a moe i
plastika). Ponekad se na gornjoj povrini ugrauje soivo ili optiki
filter za promjenu svjetlosti.[footnoteRef:3] [3: Stojan Ristic -
Elektronske komponente 2010]
6. OPTOKAPLER
Optokapler je sloen poluprovodniki optoelektroniki element koji
predstavlja kombinaciju LED diode i fototranzistora i slui za
prijenos elektrinog signala izmeu galvanski razvodjenih elektrinih
kola. Ovaj prijenos se ostvaruje pretvaranjem elektrinog signala
(struje) u svjetlosni i obrnuto. Na slici slijedeoj slici
predstavljena je izvedba optokaplera.
Slika 7. primjer optokaplera
Elektrini signal se dovodi na ulaz (izmeu anode i katode), LED
diode. Proticanjem struje kroz LED diodu izaziva se emisija
svjetlosnog fluksa, koji je proporcionalan intenzitetu struje koja
protie kroz LED diodu. Svjetlosni fluks je fokusiran u bazu
fototranzistora Tf, tako: ako su izvodi fototranzistora (kolektor,
emiter) povezani preko potroaa, u izlaznom kolu protie struja
proporcionalna svjetlosnom fluksu, tj. ulaznom signalu. Dakle,
izmeu ulaznog i izlaznog kola ne postoji galvanski kontakt, ve samo
optika 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, moe se
postii upotrebom PN fotodiode za pobudu tranzistora. Rad ovih
elemenata ogranien je veliinom probojnog napona izmeu diode i
fototranzistora, a ogranienje osobinama materijala za
izolaciju.Optokapleri se nazivaju i optiki izolatori, naime
(optocoupler engl. optika spojnica), ili optoelektronski izolatori.
Konstruktivno, LED dioda i fototranzistor se stavlja u zajedniko
kuite, tako da se izmeu njih stavljaju provodni izolacioni
materijali (staklo ili plastika) koji omoguuju prolazak svjetlosti,
a u isto vrijeme je ostvareno i galvansko povezivanje ovih
elemenata.
7. POLUPROVODNIKE LASERSKE DIODE
Poluprovodniki laseri predstavljaju praktino jednu od
najbitnijih optoelektrnosnikih naprava,koje se koriste u optikim
fiber komunikacijama, kao i u optikom skladitenju podataka u nizu
aplikacija u mnogim oblastima.
Slika 8. laserske diode u razliitim kuitima
Veina laserskih dioda male snage inkapsulirana su u kuita
tranzitorskog tipa, a drugi (manjinski) dio ima kuita drugih
oblika, sa razliitim talasnim duinama svijetla koje emituju (oko
670 nm za crveno podruje spektra). Laserske diode koje se koriste u
optikim komunikacijskim sistemima ugradjuju se u kuita koja na
prozoru imaju ugradjen (nalijepljen) svijetlovod. Na slijedeoj
slici je prikazano poredjenje veliine laserskih dioda sa drugim
predmetima.
Slika 9. prikaz dimenzija laserskih dioda
Slika 10. prikaz inkapsulirane laserske diodeSlika 10. prikazuje
dijelove diodnog lasera.Okruglo kuite zatvoreno je hermetiki. Sa
prednje strane (gore) ima tanki stakleni prozor kroz koji prolazi
laserska svijetlost, a sa zadnje strane tri elektrina kontakta
(noice). U kuitu se nalazi ne samo laserski ip mikronskih dimezija,
priblino 0,5 x 5 x 300 m (desni gornji ugao na slici, strelice
oznaavaju snopove svijetlosti), nego i jedna integrisana fotodioda,
takodjer mikronskih dimenzija. Ona slui za praenje intenziteta
svijetla lasera koje dolaze iz zadnjeg ogledala laserske diode. Ova
fotodioda, u principu omoguuje kontrolu snage i talasne duine
zraenja lasera optoelektronskom povratnom vezom, preko odgovarajueg
sklopa koji je dio elektronike za napajanje diode.Vana
karakteristika lasera,koja ga razlikuje od ostalih izvora
svijetlosti je emisija strogo definisanih snopova monohromatske
svijetlosti. Sam princip rada laserske diode je slian radu
svijetlee diode,ali za razliku od LED kod koje svijetlost nastaje
uslijed spontane emisije, kod laserskih dioda svijetlost je
rezultat procesa stimulisane emisije. Drugim rijeima kod lasera se
sreemo terminom stimulisana emisija, jer i sam naziv laser potjee
od rijei: LIGHT AMPLFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION,
to znai:pojaavanje svijetlosti stimulisanom emisijom zraenja.
Stimulisana emisija nastaje kada kod direktno polarisane diode
pored emisije fotona (spontana emisij) dolazi do stvaranja fotonske
lavine, tj kada svaki ovako stvoreni foton uzrokuje stvaranje
drugih fotona koji imaju iste optike osobine (frekvenciju, smijer,
stanje polarizacije).Kod laserske diode se p-n spoj nalazi u
optikoj upljini koju ine kristalne ravni po kojima je kristal
sijeen, tako da fotoni nastali stimulisanom emisijom doivljavaju
viestruke refleksije unutar ovog rezonatora. Ako pojaanje emisije
svijetlosti uspije da kompenzuje gubitak fotona uslijed apsorpcije
i difuzije iz p-n spoja, moe se pojaviti laserski efekt,odnosno
laserska emisija.[footnoteRef:4] [4: Stojan Ristic - Elektronske
komponente 2010]
Slika 11. ilustracija laserske emisijeLaserske diode proizvode
se od poluprovodnika sa takozvanim direktnim prelazom nosilaca iz
provodne u valentnu zonu, u koje ne spada silicijum. To su
jedninjenja iz III i V ili iz II i VI grupe periodnog sistema. I ne
samo to, ve se p-n spoj formira kao heterospoj, a to znai da je
takav spoj sainjen od razliitih poluprovodnikih jedinjenja.
8. ZAKLJUAK
Iz ovog seminarskog rada nauili smo da se prenoenje signala vri
kombinovano pomou struje i svijetlosti.Ta nauka se naziva
optoelektronika. Nauili smo da je svjetlost elektromagnetsko
zraenje koje je vidljivo ljudskom oku. Ljudsko oko u prosjeku moe
vidjeti svjetlost s valnom duljinom u rasponu od 390 do 750
nm.Objasnjene su osnove i princip rada osnovnih fotoelektrnskih
komponenata,tj: fotodiode,fototranzistora,fotogeneratora,led diode
i poluprovodnike laserske diode.
9. LITERATURAStojan Ristic - Elektronske komponente 2010Dipl.
el.in. Alija Digal Elektronika za drugi razred,
Sarajevohttp://hr.wikipedia.org/wiki/Svjetlost
2