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Dispositivos Optoelectrónicos

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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 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

slide4

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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)

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

fotodiodos
Fotodiodos
  • Factores Importantes
    • Velocidad de respuesta
    • Eficiencia cuántica:
      • relación entre fotones y pares h-e
    • Linealidad
    • Uniformidad espacial
    • Ruido oscuro (dark noise)

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

slide14
Hamamatsu model S2386 silicon photodiode

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

toshiba tps850
Toshiba TPS850

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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)

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

celdas solares3
Celdas Solares

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

celdas solares5
Celdas Solares

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

led s
LED’s

η = Photo power out/electrical power

External quantum efficiency: is due to reflections in the

Interface air-semiconductor

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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!

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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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slide30
LED

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

optoacopladores
Optoacopladores
  • Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica
  • Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

slide32
Características importantes:
    • Tensión de aislación
    • Buena relación de transferencia
    • Baja capacidad de acoplamiento
    • Imnunidad a interferencias

Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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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