Optoelektronika

1. Optoelektronika opticko-elektrické převodníky - fotorezistor, fotodioda, fototranzistor, solární články, optron Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

2. Opticko-elektrické převodníky • fotodetektor x převodník → není to úplně stejné • fotodetektor – důležitá citlivost • převod světelného záření na el. signál • záření působí na vodivost – fotorezistor, fototranzistor, fototyristor • převodník – důležitá účinnost • vytváří fotoelektrické napětí – fotodioda, solární články Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

3. Fotorezistor (Photoresistor) • není přímo převodník – pouze detektor • dvojpól – velikost odporu se mění s osvětlením • závisí na šířce zakázaného pásu a vlnové délce fotonu • foton prochází – není pohlcen • foton předává energii • excitace elektronů z valenčníhopásu do vodivostního • změna koncentrace nosičů • změna koncentrace nosičů – změna vodivosti Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

4. Fotorezistor • světlem vybuzené nosiče – nerovnovážné • rekombinace nosičů po ukončení působení světla • významná změna vodivosti způsobená světlem mDt– činitel jakosti fotocitlivých polovodičů G – generace (koncentrace nosičů za jednotku doby) – souvisí s intenzitou dopadajícího záření Dt – doba života (jak dlouho vydrží v excitovaném stavu)

5. Fotorezistor Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

6. Fotorezistor Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

7. Fotorezistor • fotoelektrický zisk – důležitý konstrukční parametr • U – napětí na elektrodách • L – vzdálenost elektrod Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

8. Fotorezistor • požadavky • nekonečný odpor pro E=0 lx (tma) – minimální proud (I=0) • vysoká pohyblivost – velký činitel jakosti • realita • konečný odpor pro E=0 lx – protéká proud • ztráta citlivosti • použité materiály – monokrystaly a polykrystaly • skupina II.A a VI. B – CdS, CdSe, ZnS, PbO infračervené detektory → větší vlnová délka → Eg = 0,6 eV Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

9. Fotodioda (Photodiode) • polovodičová součástka založena na PN přechodu • skutečný opticko-elektrický převodník • energie fotonu větší než energie zakázaného pásu • elektron bude excitován energií fotonu • vznik páru elektron-díra vlivem absorbce světelného kvanta • vnitřní fotojev • vznik pouze lokálního páru elektron-díra – nedochází k rekombinaci • oddělení nosičů PN přechodem • generované elektrony přechází do N • generované díry přecházejí do P • polarita na PN přechodu – lze odebírat energii – chová se jako zdroj • typ N – mínus • typ P - plus Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

10. Fotodioda • V-A charakteristika • usměrňovací dioda – I. a III. kvadrant – vždy jako spotřebič • fotodioda – I. a III. kvadrant – spotřebič + IV. kvadrant – zdroj Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

11. Fotodioda • IV. kvadrant – výkon záporný • zdroj fotoelektromotorického napětí • difúze většinových nosičů přes PN přechod – snížení potenciálové bariéry (difúzní napětí) o hodnotu fotoelektromotorického napětí • vznik nové dynamické rovnováhy – tzv. hradlový režim Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

12. Fotodioda • IV. kvadrant • připojeným odporem prochází proud • optimalizace zatěžovacího odporu – největší možný výkon • aplikace – solární články Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

13. Fotodioda • optimální výkon – lze zvolit zatěžovacím odporem • odebíraný výkon - maximální • příkon • účinnost Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

14. Fotodioda • III. kvadrant – odporový režim (pasivní režim) • odporová fotodioda • fotodetektor – detekce světla • proud za tmy (E=0 lx) – dán sytným proudem • fotodioda nižší proud než fotoodpor • tvoří tzv. pozadí – určuje citlivost detekce • čím menší proud za tmy, tím lepší citlivost Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

15. Fototranzistor (Phototransistor) • dopad světla do oblasti báze, emitoru nebo kolektoru • vznik páru elektron-díra • nosiče odděleny PN přechody • zvýšení emitorového i kolektorového proudu • lze použít každý tranzistor – mechanická konstrukce musí umožnit dopad světla na příslušnou oblast Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

16. Fototranzistor Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

17. Fototranzistor • zapojení SK – nízký výstupní odpor • v praxi se příliš nepoužívají – vhodnější zapojení fotodiody a tranzistorového zesilovače Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

18. Solární (fotovoltaické) články • princip objeven 1839 – E. Becquerel • fotovoltaický efekt 1877 na selenu – W. G. Adams a R. E. Day • solární článek 1883 - Fritts • křemíkový solární článek 1941 – R. S. Ohl • současná podoba solárního článku 1954 – Pearson, Chapin, Fuller (Bell Laboratories) • největší problém - účinnost • 1883 – 1%; 1954 - 4,5 %; 6%; 2008 – cca 30% (závisí na typu) Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

19. Solární články (Solar Cells) • zpracování okamžité světelné energie • vznik pomocí termonukleární reakce • uvolnění energie sloučením – rozdíl proti štěpení jádra • chemické reakce • energie získaná přeměnou ztracené hmoty • ztráta hmoty při sloučení Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

20. Solární články Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

21. Solární články • výkon vyzářen do plochy – hustota výkonu • dopadající výkon na povrch Země – velice nízká hodnota • výkon snížen o ztráty v atmosféře • cca 300 W/m2 - absorbce • cca 100 W/m2 - rozptyl • velice malá hustota výkonu – závisí na průhlednosti atmosféry • články vyráběny z křemíku • není vhodný materiál – minimální energie 1,12 eV → vlnová délka 1,1 mm • je dobře technologicky zvládnutý • křemík nezachycuje celé viditelné spektrum – max. 1,1 mm R – vzdálenost Země od slunce (cca 150 mil. km)

22. Solární články • princip činnosti – fotodioda ve IV. kvadrantu • nutná excitace elektronů • vznik páru elektron-díra • hromadění elektronů – nemohou přecházet přes PN přechod – vznik elektrického potenciálu • elektrický potenciál – 0,5 - 0,6 V na jeden článek Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

23. Solární články Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

24. Solární články • konstrukce • 2 vrstvy krystalického Si – vytvoření PN přechodu • 1. vrstva – Si sycen fosforem – typ N • 2. vrstva – na Si vrstva Ag nebo Al – průnik do vrstvy Si – typ P Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

25. Solární články • výroba • křemíková technologie • tlustovrstvá technologie – Si plátky, vytvořen PN přechod – fotodioda (monokrystal, polykrystal) – 85% článků na trhu, • účinnost – 15 % (komerčně používané články), 30 až 40% (výzkum) • tenkovrstvá technologie – tenká vrstva Si na nosném podkladu, vytvořen PN přechod, lacinější výroba, • účinnost – 9% • nekřemíková technologie • organické sloučeniny, polymery – výzkum • malá účinnost – 4,5% Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

26. Optron • základem optronová dvojice • zdroj světla • fotodetektor • elektro-optický a opticko-elektrický převodník • dvojbran • vstup – zdroj světla • výstup - fotodetektor • galvanicky oddělené součástky • ztráta možnosti využít mag. vazbu • základní součástka optoelektronických obvodů a systémů Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

27. Optron • zdroj světla • luminiscenční dioda • laserová dioda • fotodetektor • fotorezistor – nutný přídavný zdroj napětí • fotodioda • fototranzistor • fototyristor • použití – galvanické oddělení obvodů • galvanické oddělení vstupu a výstupu • styk vysokofrekvenčních a nízkofrekvenčních obvodů • styk obvodů s výrazně odlišnými napěťovými hladinami Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

28. Optron • přenos signálu • elektrický signál → optický signál → elektrický signál • změna na vstupu (napětí, proud) – změna intenzity záření • změna na výstupu – změna velikosti odporu, napětí, proudu • proudový přenosový činitel CTR (Current Transfer Ratio) Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

29. Optron • přímá optická vazba • zpětná vazba • optron s elektrooptickou vazbou • elektrická vazba mezi součástkami optronu • kladná zpětná vazba – snížení odporu fotodetektoru vede na zvýšení intenzity záření • záporná zpětná vazba – snížení odporu fotodetektoru vede ke snížení intenzity záření Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

30. Další typy O-E převodníků • fotonka – vakuová elektronka • foton vyráží z fotokatody elektrony (fotoelektrony) • vnější fotojev • proud – určen počtem vyražených elektronů, souvisí s intenzitou světla • energie fotoelektronu závisí na vlnové délce, nezávisí na intenzitě světla • energetická rovnice pro vnější fotojev (Einsteinova rovnice) příkon výstupní energie elektronu kinetická energie fotonu Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

31. Další typy O-E převodníků • fotonásobič (photomultiplier) • vnější fotojev + sekundární emise elektronů • dynody – sekundární emise elektronů > 1 • dochází k lavinovému násobení – neustálé vyrážení elektronů • základ snímacích elektronek a obrazovek • d = 5 a počet dynod = 9 → zisk fotonásobiče59 – cca 2.106 kinetická energie primárního elektronu výstupní energie počet elektronů vyražených primárním elektronem kinetická energie sekundárních elektronů

32. Fotonásobič • skleněná baňka s vakuem • fotokatoda – dostatečná energie záření k vyražení elektronu • dynody – různý potenciál k urychlení elektronů • anoda Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

33. Fotonásobič • parametry • plocha a tvar elektrod • spektrální charakteristika citlivosti • zisk • citlivost fotokatody, anody • anodový proud za tmy • doba průletu fotoelektronu • doba náběhu impulzu • max. anodové napětí a proud • použití • detekce slabého světelného zářenís velkým odstupem signál/šum • astronomie Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

34. Děkuji za pozornost Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)