Optoelektronika
Zdroje
Detektory
Systémy
Optoelektronické součástky využívají interakce záření
a elektricky nabitých částic v polovodičích.
Optoelektronika
1839 E. Becquerel - Fotovoltaický jev
1873 W. Smith - Fotovodivost selenu
1954 Chapin, Fuller, Pearson - Solární článek s pn přechodem
1962 Pankove, Berkeyheiser - GaAs LED
1962 R. N. Hall, Nathan, .... - GaAs LASER
1962 N. Holonyak... - GaAsP červený LASER
1963 H. Kroemer, Alferov - návrh LASERu s heteropřechodem
1963 Allen - GaP červená LED
1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED
1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda
.......................................
1962 N. Holonyak... - GaAsP červený laser
1963 H. Kroemer, Alferov - návrh laseru s heteropřechodem
1963 Allen - GaP červená LED
1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED
1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda
.......................................
- elektromagnetické vlny s vlnovou délkou 
- množství fotonů (kvant) o energii W
Záření
e
chch
hW


=

==


Planckův zákon
h - Planckova univerzální konstanta (h = 6.62 10-34 J.s )
c - Rychlost světla (c = 3.108 m.s-1)
e - Náboj elektronu (e = 1,60210-19 C)
Záření
e
chch
hW


=

==


Planckův zákon
Čím kratší je vlnová délka fotonu, tím větší je jeho energie.
 (m) (m)
vlnočet (cm-1)
1eV 0.2eV0.4eV3eV 2 W(eV) W(eV)
počet vln na cm
Wg
Interakce záření a polovodiče
W > Wg  ABSORPCE (fotoelektrický jev)
V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnová délka
je kratší než ABSORPČNÍ HRANA
];[
24,1
eVm
Wg
 
Aplikace: FOTODETEKTORY
Wg
Interakce záření a polovodiče
W > Wg  ABSORPCE (fotoelektrický jev)
V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnová délka
je kratší než ABSORPČNÍ HRANA
];[
24,1
eVm
Wg
 
1921 ­ Nobelova cena za fyziku
­ objev fotoelektrického jevu
Wg
Interakce záření a polovodiče
W > Wg  ABSORPCE (fotoelektrický jev)
Absorpční hrana (T=300 K) :
Ge:  = 1.5 m Wg = 0.84 eV
Si:  = 1.1 m Wg = 1.12 eV
GaAs:  = 0.85 m Wg = 1.42 eV
Pro danou vlnovou délku musíme vybírat detektor podle materiálu!
Pro delPro delšíší vlnovou dvlnovou déélku je polovodilku je polovodičč prprůůhledný (neabsorbuje).hledný (neabsorbuje).
Elektron samovolně (spontánně) rekombinuje s dírou.
Interakce záření a polovodiče
Wg
Uvolněná energie se vyzáří ve formě fotonu
(zákon zachování energie).
Aplikace: LED (Light Emitting Diode)
Rekombinace elektronu s dírou je stimulována přilétajícím fotonem,
jehož frekvence, polarizace a fáze je shodná jako u vyzářeného fotonu.
Interakce záření a polovodiče
Wg
Vznikající záření je koherentní.
Aplikace: LASER (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation)
Interakce záření a polovodiče
Wg
Zur Quantentheorie der Strahlung, Physika Zeitschrift,
Volume 18, pp. 121 ­ 128, 1917
PPřředpovedpověďěď stimulovanstimulovanéé emiseemise  PoPoččáátek fyziky lasertek fyziky laserůů
FOTONOVÁ VAZBA
zdroj - detektor
Zdroje a detektory záření
Injektované elektrony a díry rekombinují  spontánní emise.
Zdroje nekoherentního záření
+ -
Ucc
R = (Ucc ­ ULED) / IF
ULED IF
LED
1,5820 / 900 / 950Infračervené zářeníGaAs:Si
3,6450 ­ 650
4500K*
BíláSiC/GaN + luminofor na povrchu čipu
2,0635ČervenáGaAs0,35
P0,65
:N, GaAs0,6
P0,4
, GaP:Zn-O
2,1585ŽlutáGaAs0,15
P0,85
:N
2,2565ZelenáGaP
3,6450ModráSiC, GaN
Úbytek napětí
@IF
=20mA [V]
Vlnová délka
[nm]
Barva světla/zářeníMateriál
LED
1,5820 / 900 / 950Infračervené zářeníGaAs:Si
3,6450 ­ 650
4500K*
BíláSiC/GaN + luminofor na
povrchu čipu
2,0635ČervenáGaAs0,35
P0,65
:N, GaAs0,6
P0,4
,
GaP:Zn-O
2,1585ŽlutáGaAs0,15
P0,85
:N
2,2565ZelenáGaP
3,6450ModráSiC, GaN
Úbytek napětí
@IF
=20mA [V]
Vlnová délka
[nm]
Barva světla/zářeníMateriál
RB=(Uout­UBE)/IB=(Uout­UBE)h21E/IC=(5 ­ 0,7) 100/0,02 = 21,5 k
volíme 22 k
IC = ILED = 20 mA
IB
Ioutm
Uout
IC
+5VPříklad: zelená LED
Ioutm = 5 mA@5V, h21E=100, RC=?, RB =?
RB=?
UBE
RC=?
+5V
RC = (UCC ­ UCEsat - ULED) / ILED =
= (5 ­ 0,2 ­ 2,2) / 0,02 = 130 
ULED
katalog
Elektronika - Elektronika a fotonika ­ magisterské studium na FEL
Matematika
pro
elektroniku
Struktury
číslicových
systémů
Elektronika
polovodičů
Struktury
integrovaných
obvodů
1. semestr
Ekonomika
Právo
volitelně
Elektronika od DC přes RF do OPTO.
Diplomová
práce
Nano
technologie
Volitelný
předmět4. semestr
Ekonomika
&
management
Diplomová
práce
Návrh
vf a mikrovln.
obvodů
Projekt
individuální
Součástky
integrované
a vláknové
optiky
3. semestr
Humanitní
volitelně
Povinně
volitelný
předmět
Výkonové
polovodičové
součástky
Analogové
diskrétní
soustavy
TCAD
Syntéza
integrovaných
el. systémů
2. semestr Humanitní
volitelně
Projekt
v týmu
Garant: J. Vobecký
LASER
Podmínky činnosti:
1. Existence aktivního prostředí, kde nastává stimulovaná emise.
2. Existence kladné zpětné vazby.
3. Zajištění inverzního obsazení hladin.
Tk
WW
n
n

--

)(
exp 12
1
2
Normální obsazení:
n2
n1
W2
W1
Inverzní obsazení (n2>n1)
 stim. emise převáží nad absorpcí
Polovodičový LASER- Metody zvýšení účinnosti
1. Mikropáskový kontakt
2. Dvojitá heterostruktura
Polovodičový LASER
Watt-ampérovácharakteristika
propustný smpropustný směěrr !!!!!!
Průrazné napětí je minimální!
nastavení Uout
= hloubky modulace
Data buffer -
urychluje hrany
C2, L1: Blokuje ss složku
R5: Impedanční přizpůsobení
R4: Nastavení Pavg laseru
Detektor výkonu
laseru z 2.zrcadla
OZ jako integrátor
Přenos dat  stovky MHz
Aplikace
Datové přenosy
Paměťová média (CD)
Polovodičový LASER
ˇ Libovolný tvar a plocha
ˇ Možnost 2-D integrace
ˇ Nízký prahový proud
ˇ Snadné pouzdření
ˇ Malá divergence svazku
Distributed
Bragg
Reflector
Distributed
Bragg
Reflector
dopadající vlna
odražená vlna
/4
vlna s vlnovou délkou /4
rovnou tloušťce vrstvy
se odrazí v protifázi

Detektory záření - fotodioda
Wg
Záření o energii h > Wg je absorbováno v OPN
OPN svým elektrickým polem separuje elektrony a díry
závěrný směr
 VZNIKÁ FOTOPROUD
Detektory záření - fotodioda
foton foton foton
OPN
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.5
0.0
0.5
1.0
WV
WC
NP
+
OPN
+
+
- -
-
+
-
hh
Energie(eV)
Poloha (m)
Detektory záření - fotodioda
Záření absorbováno v OPN s velkou intenzitou elektrického pole.
OPN je široká  parazitni kapacita je malá  odezva je rychlá
OPN je široká  parazitni kapacita je malá  odezva je rychlá
Fotodioda
Závěrné napětí (V)
C
50 mm2
10 mm2
5 mm2
1 mm2
Parazitni kapacita klesá s rostoucím UR  rychlost odezvy roste
Fotodioda - fotovodivostní režim
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0
10
20
30Proud(A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Intensitaozáření(mW.cm
-2
)
5
4
3
2
0
Rz
Ik
U0
=
Ucc
Rz
Uvýst
Se změnou intenzity dopadajícího záření se mění
napětí Uvýst na fotodiodě.
Fotodioda - fotovodivostní režim
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0
10
20
30Proud(A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Intensitaozáření(mW.cm
-2
)
5
4
3
2
0
Rz
Ik
U0
=
Ucc
Rz
Uvýst
Fotodioda zapojena jako spotřebič  zdroj napětí + Rz
Zdroj napětí  existuje proud za tmy  menší citlivost
Fotovodivostní režim - zapojení
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0
10
20
30
Proud(A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Intensitaozáření(mW.cm
-2
)
5
4
3
2
0
Rz
Ik
U0
=
Ucc
Rz
Uvýst
Fotodioda se chová
jako zdroj proudu závislý
na osvětlení
Fotovoltaický režim ­ 4.kvadrant
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0
10
20
30
Proud(A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Intensitaozáření(mW.cm
-2
)
5
4
3
2
0
Ish
U0
FOTOVOLTAICKÝ REŽIM
PROPUSTNÝ SMER
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
Ropt
Ropt
2. V obvodu není zapojen žádný zdroj
 za tmy neteče proud!
 vhodné pro měření nízkých intenzit záření.
1. Fotodioda se chová jako zdroj  sluneční články.
Koncentrátorové systémy
Fotovoltaický režim ­ sluneční článek
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0
10
20
30
Proud(A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Intensitaozáření(mW.cm
-2
)
5
4
3
2
0
Ish
U0
FOTOVOLTAICKÝ REŽIM
PROPUSTNÝ SMER
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
Ropt
Ropt
+
-
dioda brání vybíjení
baterie
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0
10
20
30
Proud(A)
Napětí (V)
-30
-20
-10
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Proud(A)
-10 -8 -6 -4 -2 0
1
Napětí (V)
Intensitaozáření(mW.cm
-2
)
5
4
3
2
0
Ish
PROPUSTNÝ SMER
Fotovoltaický režim - transimpedanční zapojení
+
-
1M
uout
+UCC
-UCC
Mezi vstupy operačního zesilovače je nulové napětí
 dioda pracuje do zkratu (Ish)
 lineární závislost uout = f (fotoproud)
+
-
1M
uout
+UCC
-UCC < 0
Fotovoltaický režim - transimpedanční zapojení
+
-
1M
uout
+UCC
-UCC
Ish
> 0
Fotodioda se chová jako zdroj proudu Ish.
OZ (zapojen jako převodník proud-napětí) konveruje Ish na napětí Uout
 Transimpedanční zapojení
Ish
Na výstupu je napětí Uout = 1V na 1 A fotoproudu Ish.
Fotovodivostní vs. fotovoltaický režim
Fotovodivostní režim:
použijeme, pokud
je prioritou maximální rychlost
Fotovoltaický režim:
použijeme, pokud
je prioritou nízký šum
nebo energetická účinnost