Dispositivos optoelectr nicos
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Dispositivos Optoelectrónicos. Tipos. Fotodetectores: Detectan cambios de energía fotónica, transformándolos en energía eléctrica Celdas solares: Transforman energía lumínica en eléctrica LED / Diodos Laser: Transforman energía eléctrica en energía lumínica Optoacopladores.

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Dispositivos Optoelectrónicos

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Presentation Transcript


Dispositivos optoelectr nicos

Dispositivos Optoelectrónicos

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Tipos

Tipos

  • Fotodetectores:

    • Detectan cambios de energía fotónica, transformándolos en energía eléctrica

  • Celdas solares:

    • Transforman energía lumínica en eléctrica

  • LED / Diodos Laser:

    • Transforman energía eléctrica en energía lumínica

  • Optoacopladores

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Dispositivos optoelectr nicos

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Dispositivos optoelectr nicos

4.2x1014 Hz

6x1014 Hz

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Fotodiodos p n

Fotodiodos p-n

  • Juntura p-n que permite penetración de luz en la vecindad de la unión metalúrgica

  • Absorción de luz crea pares hueco-electrón

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Fotodiodos p n1

Fotodiodos p-n

  • Portadores generados en la zona de vaciamiento son arrastrados por el E.

  • Tasa de Generación óptica: GL

  • Si W menor que la long. Del diodo, IL es independiente de la tensión aplicada y proporcional a la intensidad de luz

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Respuesta espectral

Respuesta espectral

  • Variación de IL con la longitud de onda de luz incidente

Fotones generan pares h-e solo si Eph>EG.

Para Si, EG = 1.12 eV, y λmax=1.1μm

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Respuesta espectral1

Respuesta espectral

  • Variación de IL con la longitud de onda de luz incidente

  • Potencia lumínica es cte. Por ende, hay menos fotones de mayor energía (<λ)

  • A menor λ la luz penetra menos, y la generación se produce lejos de la zona de vaciamiento: se recombinan antes de llegar allí. Menor I

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Fotodiodos p n2

Fotodiodos p-n

  • Respuesta Frecuencial

    • Velocidad de respuesta ante cambios de la luz incidente

    • Fotodiodo p-n tiene capacidades limitadas

    • Portadores minoritarios deben difundir hasta la zona de vaciamiento: proceso lento

    • Máxima velocidad: decenas de Mhz

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Fotodiodo p i n

Fotodiodo p-i-n

  • Top semiconductor thin, to minimize absorption

  • i region is depleted

  • Most of the photocurrent is generated in the depletion region

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Fotodiodo p i n1

Fotodiodo p-i-n

  • i region can be tailored for specific wavelengths

  • Frequency response is much better than Si diodes (most current is generated in the dep. Region)

  • Freq. response about GHz

  • Aplicaciones en fibra óptica requieren λ > 1.1μm, y menores bandgap (In Ga As)

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Fotodiodos de avalancha

Fotodiodos de Avalancha

  • Fotodiodos operados cerca del punto de ruptura inversa

  • Ganancia en la generación de portadores

  • Multiplicación de avalancha amplifica los portadores provocados por la luz

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Fotodiodos

Fotodiodos

  • Factores Importantes

    • Velocidad de respuesta

    • Eficiencia cuántica:

      • relación entre fotones y pares h-e

    • Linealidad

    • Uniformidad espacial

    • Ruido oscuro (dark noise)

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Dispositivos optoelectr nicos

Hamamatsu model S2386 silicon photodiode

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Dispositivos optoelectr nicos

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Toshiba tps850

Toshiba TPS850

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Celdas solares

Celdas Solares

Honda dream, the winning car in the 1996 World Solar Challenge. The custom made cells for the car are greater than 20% efficient. (Photograph PVSRC)

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Celdas solares1

Celdas Solares

  • Junturas p-n de gran area

  • Design to minimize energy losses

  • Voc: open circuit voltage

  • Isc: short circuit current

  • Pmax = Im Vm

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Celdas solares2

Celdas solares

  • Medida de desempeño:

    • eficiencia de conversión

  • Output from the sun

    • Area beyond λG is power lost cause it cannot be absorbed

      • 20% lost in Si, 35% in GaAs

    • The Eph>Eg energy adds kinetic energy (heat):

      • 40% in Si, 30% in GaAs

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Celdas solares3

Celdas Solares

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Celdas solares4

Celdas Solares

  • Top contact coverage of the cell surface can be minimised (although this may result in increased series resistance).

  • Anti-reflection coatings on the top surface of the cell.

  • Reflection reduced by surface texturing.

  • The solar cell can be made thicker to increase absorption

  • The optical path length may be increased by a combination of surface texturing and light trapping.

http://www.udel.edu/igert/pvcdrom/index.html

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Celdas solares5

Celdas Solares

Area: 22cm2Efficiency: 23.5%Voc: 703 mVIsc: 914mAJsc: 41.3mAVmp: 600mVFF: 0.81Imp: 868 mA

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Light emitting diode led

Light Emitting Diode (LED)

Definition: a semiconductor device that emits incoherent narrow-spectrum light when electrically biased in the forward direction

Courtesy of Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/LED

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Principle

Principle

  • Forward bias injects majority carriers in opposite regions where they recombine

  • In indirect semiconductor (Si) recombination produces heat

  • In direct semiconductors (GaAs) recombination occurs from band to band and emits photons

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Principle1

Principle

  • Three requirements to produce visible LED

    • Direct semiconductor (Si, Ge, GaP, AlAs,SiC, excluded)

    • Bandgap between 1.77eV and 3.10eV (GaAs bandgap too small)

    • Able to allow pn junction diodes

  • Need for alloys

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Led s

LED’s

η = Photo power out/electrical power

External quantum efficiency: is due to reflections in the

Interface air-semiconductor

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Light emitting diode led1

Light Emitting Diode (LED)

  • LED v.s. Incandescent (Edison’s lightbulb) and Flourescent Bulbs

    • Much longer life span (105 - 106 hrs v.s. 103 / 104 hrs)

    • Suitable for applications that are subject to frequent on-off cycling

    • Efficiency: better than incandescent but currently worse than flourescent bulbs

Source: US Department of Energy http://www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm

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Leds for lighting

LEDs for lighting

  • 12 Volt MR16 LED spotlight bulbs

  • Each LED spotlight has 20 ultrabright 15,000mcd LEDs producing a similar amount of light to a 20W halogen bulb

  • 1 Watt of power!

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Led efficiency

LED Efficiency

  • Internal Quantum Efficiency (ηint)

    • Definition: ratio of the number of electrons flowing in the external circuit to the number of photons produced within the device

    • Has been improved up to 80%

  • External Quantum Efficiency

    • Definition: The percentage of photons that can be extracted to the ambient.

    • Typically 1% ~ 10%

    • Limiting factor of LED efficiency

    • Improvement techniques: dome-shaped package, textured surface, photonic crystal, …

Source: Lecture Note of “Optoelectronic Devices” (by Sheng-fu Horng, Dept. of Electrical Engrg, NTHU, Hsinchu, Taiwan)

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Dispositivos optoelectr nicos

LED

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Optoacopladores

Optoacopladores

  • Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica

  • Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo

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Dispositivos optoelectr nicos

  • Características importantes:

    • Tensión de aislación

    • Buena relación de transferencia

    • Baja capacidad de acoplamiento

    • Imnunidad a interferencias

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Dispositivos optoelectr nicos

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Dispositivos optoelectr nicos

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS


Dispositivos optoelectr nicos

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Referencias

Referencias

  • Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison –Wesley, 1996. Capítulos 6, 9, 14.

  • Stanley G. Burns, Paul R. Bond, “Principles of Electronic Circuits”, PWS Publishing Company, 1997. Capítulo 3.

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