97

LUCRAREA NR. 8

DISPOZITIVE OPTOELECTRONICE

1.Introducere.

Procesele fizice care stau la baza funcţionării dispozitivelor

optoelectronice sunt generarea şi recombinarea purtătorilor mobili de

sarcină. Există două clase mari de dispozitive optoelectronice:

a) Dispozitive care transformă energia radiaţiei luminoase în

semnale electrice- acestea au ca scop fie măsurarea fluxului luminos

sau transmisia de informaţie, caz în care este vorba de fotodetectoare

fie conversia energiei luminoase în energie electrică, caz în care sunt

celule fotovoltaice.

b) Dispozitive care transformă energia electrică în energie

luminoasă – cazul diodelor electroluminescente şi al laserilor cu

joncţiuni semiconductoare.

2.Fotodioda

În fotodiodă energia radiaţiei luminoase se transformă prin efect

fotovoltaic în prezenţa barierei de potenţial în energie electrică.

Purtătorii generaţi în apropierea joncţiunii pn sunt preluaţi de câmpul

electric din regiunea de sarcină spaţială şi sunt transferaţi în regiunea

în care sunt majoritari. Prin creşterea numărului de purtători se reduce

bariera de potenţial, ceea ce conduce la creşterea transferului

purtătorilor minoritari prin joncţiune, astfel încât regiunea p se

încarcă pozitiv, iar regiunea n negativ. Apare astfel o tensiune

electrică directă în circuitul extern dacă acesta este deschis sau un

curent de scurtcircuit într-o rezistenţă de valoare redusă conectată între

anod şi catod.

Curentul de scurtcircuit poate fi scris în forma /14 /

pnSC LLqgAI (1)

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

98

unde A este aria joncţiunii, g este rata de fotogenerare, iar nL şi

pL sunt lungimile de difuzie pentru electroni şi respectiv pentru

goluri. Curentul de scurtcircuit are acelaşi sens ca şi curentul invers

prin joncţiune.

La conectarea rezistorului în circuitul extern tensiunea de

fotogenerare ajunge la valoarea V iar curentul în circuitul extern:

1KT

qV

SSC eIII (2)

În circuit deschis tensiunea fotogenerată are valoarea:

1ln

S

SC

I

I

q

KTV (3)

Analizând relaţia (3) se constată că o joncţiune pn sau o

heterojoncţiune pn special construită din semiconductoare cu gW

cuprins între eV1 şi eV2 , poate genera curent electric sub flux

luminos incident, acest regim fiind de celulă fotovoltaică.

În figura 1 sunt prezentate caracteristicile statice tipice ale unei

fotodiode la diferite fluxuri luminoase incidente. La iluminare nulă

0 caracteristica va fi cea a unei diode descrisă de ecuaţia

Shockley (cadranele I şi III).

La iluminări diferite de zero 210 caracteristica se

modifică prin apariţia fotocurentului modelat de relaţia (2) care are

sens opus curentului de difuzie al diodei polarizate direct.

Caracteristicile din cadranul III reprezintă regimul de fotodiodă care

se obţine la aplicarea pe dispozitiv a unei tensiuni inverse de

polarizare cu ajutorul unei surse externe. Se constată că la iluminare

curentul invers creşte liniar cu fluxul incident şi nu depinde de

tensiunea de polarizare externă.

LUCRAREA NR.8 Dispozitive optoelectronice

99

Caracteristicile din cadranul IV definesc funcţionarea în regim de

celulă solară, când tensiunea este fotogenerată de iluminare.Tensiunea

maximă fotogenerată se obţine în gol când( )0LI :

1ln

S

CDI

I

e

KTV (4)

Fig.1 Caracteristicile statice ale fotodiodei în diferite regimuri de

funcţionare.

3. Mărimi caracteristice principale la fotodiode.

a) Curentul de întuneric SI ,este valoarea curentului invers al

joncţiunii pn în absenţa fluxului luminos şi la polarizarea inversă

specificată (de ordinul 150 nA la tensiuni de cca.30V)

b) Sensibilitatea la iluminare RS , este definită de relaţia:

SL

R

IIS (5)

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

100

în care LI este fotocurentul produs sub fluxul .

c) Sensibilitatea spectrală S , este reprezentarea sensibilităţii la

iluminare în funcţie de lungimea de undă a fluxului incident. În figura

2 se prezintă o caracteristică spectrală tipică pentru fotodiodă.

d)Sensibilitatea unghiulară S ,reprezintă modul în care foto-

curentul se modifică cu unghiul de incidenţă al fluxului luminos pe

fotodiodă. Majoritatea fotodiodelor au o lentilă din sticlă sau material

plastic care îngustează câmpul optic. În figura 3 se prezintă o

diagramă de directivitate pentru o fotodiodă tipică.

Fig. 2.Caracteristică spectrală tipică de fotodiodă.

e) Constantele de timp : de creştere a fotocurentului i şi de

descreştere a fotocurentului d la iluminarea fotodiodei în regim

pulsat. Ca exemplu, la fotodiodele cu siliciu snsdi 15,0 în

funcţie de structura concretă..

Pentru creşterea frecvenţei semnalelor transmise prin fibra optică

şi recepţionate cu fotodiode se desfăşoară cercetări intense pentru

găsirea unei structuri semiconductoare la care i şi d să fie cât mai

mici.

LUCRAREA NR.8 Dispozitive optoelectronice

101

Fig. 3. Diagramă de directivitate pentru fotodiodă; a-cu lentilă.

b-fără lentilă

4.Studiul experimental al fotodiodei.

a) Trasarea caracteristicilor statice la fotodiodă.

Se foloseşte un aranjament experimental care permite modi-

ficarea fluxului luminos incident pe fotodiodă prin schimbarea

diametrului unor diafragme ce se află în faţa sursei luminoase sau prin

modificarea distanţei dintre fotodiodă şi sursa luminoasă, prima

putând fi deplasată pe un ghidaj gradat în milimetri (vezi fig.4)

Fig.4 Montaj experimental pentru trasarea caracteristicilor statice la

fotodiode:1-fotodiodă în montură cu parasolar şi conector ; 2-sursă de

polarizare variabilă (030V) ; 3-comutator ; 4-voltmetru electronic ;5-

miliampermetru electronic; 6-bec cu incandescenţă în montură optică

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

102

(cca 20W) ; 7-sursă pentru alimentarea becului ;8-disc cu diafragme;

9-ghidaj cu riglă ;10-patină suport pentru fotodiodă.

Se acoperă complet parasolarul fotodiodei pentru a bloca

fluxul luminos şi se înregistrează valorile pereche tensiune-

curent atât la polarizare directă cât şi la polarizare inversă.

Se înlătură obturarea diodei şi aplicând fluxuri luminoase

constante se iau valori pentru reprezentarea caracteristicilor

statice.

Pentru modificarea fluxului luminos se apelează fie la

schimbarea diafragmei prin care trece fascicolul,fie la

modificarea distanţei bec-fotodiodă,determinându-se valorile

fluxului în planul fotodiodei cu ajutorul luxmetrului aşezând

traductorul acestuia în locul fotodiodei.

Se reprezintă caracteristicile statice ale fotodiodei pe baza

măsurătorilor efectuate.

Se determină din date curentul de întuneric şi sensibilitatea de

iluminare a fotodiodei pe baza relaţiei (5).

b) Studiul proceselor de comutaţie la fotodiodă.

Fig.5 1-diodă electroluminescentă; 2-fotodiodă; 3-montură

mecanică; 4-generator de semnale dreptunghiulare cu frecvenţă

reglabilă; 5-sursă de tensiune stabilizată (030V); 6-osciloscop

cu două canale.

LUCRAREA NR.8 Dispozitive optoelectronice

103

Pentru a analiza răspunsul fotodiodei la semnale de tip impulsiv

se utilizează montajul din figura 5, în care este realizat un cuplaj optic

între o diodă electroluminescentă şi fotodioda studiată. Cu ajutorul

unui osciloscop cu două canale se compară semnalul de curent care

trece prin dioda electroluminescentă cu curentul ce străbate fotodioda

polarizată invers,în regim de fotodetector.

În acest tip de măsurătoare se consideră că timpul de răspuns al

diodei electroluminescente este cu cel puţin două ordine de mărime

mai scurt decât cel al fotodiodei,lucru verificat totdeauna în practică.

În figura 6 se prezintă modul de definire a timpilor de creştere şi

descreştere pentru răspunsul în fotocurent a unei fotodiode iluminate

cu pulsuri ideale.

Fig.6 Forma fluxului optic aplicat fotodiodei şi răspunsul

fotocurentului în funcţie de timp.

După realizarea montajului se va sincroniza osciloscopul

pentru a vizualiza corect cele două semnale studiate. Se alege

pentru funcţionarea osciloscopului modul „chopper”.

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

104

Se creşte treptat frecvenţa semnalului de la generator

analizându-se efectele asupra posibilităţilor de vizualizare ale

timpilor de creştere şi de descreştere.

Se încearcă, folosind calibrarea bazei de timp a osci-

loscopului să se determine ct şi dt .

5. Dioda electroluminescentă (LED)

Dioda electroluminescentă transformă energia electrică în flux

luminos printr-un mecanism în care se produce un regim de

neechilibru prin injecţia de purtători minoritari în joncţiunile şi

heterojoncţiunile pn polarizate direct. Datorită concentraţiilor ridicate

vor avea loc procese de recombinare radiante cu emisia fotonilor şi

procese radiante fără emisia fotonilor. În cazul proceselor radiante cu

emisia fotonilor sunt dominante mecanismele de recombinare bandă-

bandă (Ga-As,In-P,Ga-Sb,Al-Ga-As,Ga-As-P) şi recombinarea pe

centre de impurităţi (Ga-P,Ga-Asx,P1-x pentru x0,65).

Mecanismele de recombinare pot fi schimbate de factori ca :

temperatura, concentraţia purtătorilor injectaţi, concentraţiile impuri-

tăţilor din semiconductor, defecte în structura semiconductorului.

Mecanismele de injecţie ale purtătorilor minoritari şi de

recombinare radiantă a acestora sunt specifice atât diodelor

electroluminescente cât şi diodelor LASER. La curent mic joncţiunea

(sau heterojoncţiunea) produce o radiaţie necoerentă, în timp ce după

depăşirea unui curent de prag apare emisia stimulată. La diodele

LASER se impun condiţii speciale de dopaj (nivel, profil) şi formă a

structurii semiconductoare care trebuie să devină rezonator optic.

În diodele electroluminescente fotonii produşi prin recombinare

radiantă se propagă în toate direcţiile prin semiconductor şi doar o

mică parte ajung în exterior prin suprafaţa frontală sau laterală a

dispozitivului. Creşterea curentului şi a temperaturii reduc eficienţa

emisiei optice datorită creşterii recombinărilor neradiante.

LUCRAREA NR.8 Dispozitive optoelectronice

105

6.Mărimi caracteristice diodelor electroluminescente.

a) Curentul printr-o diodă electroluminescentă este descris de

relaţia /9,10 /

KT

qVII SF

exp (6)

unde : este un coeficient care ia valoarea 1 când predominant este

curentul de difuzie şi valoarea 2 când mai mare este componenta de

recombinare. În figura 7 se prezintă caracteristica curent-tensiune a

unei diode electroluminescente.

Fig.7 Caracteristica curent-tensiune a unei diode

electroluminescente.

Tensiunea care cade pe o diodă electroluminescentă în regim de

generare a fluxului luminos depinde de lărgimea benzii interzise şi de

nivelele de dopare.

b) Caracteristica spectrală reprezintă distribuţia intensităţii

emisiei în funcţie de lungimea de undă. Deoarece intensitatea radiaţiei

emise depinde de nivelul de injecţie trebuie să se specifice clar

curentul direct pe diodă la efectuarea măsurătorii. În figura 8 se indică

forma unei caracteristici spectrale pentru LED.

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

106

Fig.8 Distribuţia spectrală a emisiei diodelor electroluminescente

c) Caracteristica de directivitate indică variaţia intensităţii de

emisie a radiaţiei în funcţie de unghiul faţă de axa optică a diodei.

LED-urile au de regulă lentile care direcţionează fascicolul luminos.

În figura 9 se prezintă forma unei caracteristici de directivitate în

coordonate polare şi în coordonate liniare.

Fig. 9 Caracteristica de directivitate a LED.

7. Studiul experimental al diodei electroluminescente.

a) Trasarea caracteristicii statice a diodei electroluminescente

şi analiza emisiei optice a acesteia.

Se realizează montajul prezentat în figura 10 în care cu sursa

stabilizată de tensiune 2 se poate modifica curentul în gama

0,5200mA, iar 7 este un luxmetru care măsoară cu

detectorul 5 fluxul optic emis de LED în funcţie de curentul

aplicat.

LUCRAREA NR.8 Dispozitive optoelectronice

107

Modificând tensiunea sursei 2 se creşte treptat în paşi curentul

prin LED măsurând tensiunea la bornele acestuia şi fluxul

generat.

Se reprezintă grafic curentul şi respectiv fluxul luminos emis

de LED în funcţie de tensiunea la bornele LED-ului.

Se interpretează rezultatele obţinute şi se propune o valoare

optimă a curentului prin dispozitiv.

b) Studiul caracteristicii de directivitate a LED.

Se foloseşte pentru alimentarea electrică a LED

montajul precedent fixându-se curentul la valoarea optimă ;

Se fixează traductorul 5 al luxmetrului pe partea

mobilă a sistemului goniometric în al cărui centru se pune LED-

ul.Măsurătorile se vor face la lumină ambiantă scăzută şi uniformă în

zona de lucru.

Fig.10 1-LED supus studiului; 2-sursă stabilizată de tensiune

continuă (030V);3-miliampermetru de curent continuu (0200mA)

4-voltmetru electronic; 5-detectorul fotoelectric al luxmetrului; 6-

ecran optic; 7-luxmetru.

Se roteşte traductorul 5 la diferite unghiuri faţă de axa

optică citind indicaţiile luxmetrului 7.

Se reprezintă grafic în coordonate plane caracteristica

de directivitate.

În figura 11 se prezintă dispozitivul pentru studiul caracteristicii

spaţiale.

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

108

Fig.11 Dispozitiv experimental pentru studiul caracteristicii spaţiale a

LED. 8-disc marcat în grade; 9-suport pentru LED; 10-riglă metalică

rotitoare; 11-suport pentru traductorul 5.

8.Optocuplorul.

Acest circuit realizează separarea galvanică a două sisteme

aflate la tensiuni diferite între care trebuie transmis un semnal prin

producerea unui cuplaj optic. Este format dintr-o sursă optică şi un

fotodetector. Există câteva cazuri importante în care este necesară

izolarea galvanică: a) efectuarea de măsurători asupra unor instalaţii

aflate la tensiune ridicată ; b) preluarea de semnale biologice de pe

fiinţe;c) transmisia de date la distanţă prin cabluri în care pot apare

tensiuni de mod comun periculoase.

În optocuplor semnalul continuu sau alternativ aplicat sursei

optice este transformat în flux luminos care activează un fotodetector

ce reface semnalul iniţial. Ca surse de radiaţii se folosesc cel mai des

diodele electroluminescente cu emisie în vizibil sau infraroşu, iar ca

fotodetectoare: fotorezistoarele, fotodiodele, fototranzistoarele şi

celulele fotovoltaice.

În figura 12 se prezintă o variantă constructivă de optocuplor.

LUCRAREA NR.8 Dispozitive optoelectronice

109

Fig.12 Structura reală a unui optocuplor şi montajul pentru

studiul caracteristicilor de transfer.

9. Mărimi caracteristice optocuploarelor.

a) Caracteristica de transfer a optocuplorului reprezintă dependenţa

curentului sau tensiunii de ieşire în funcţie de curentul de intrare.

b) Tensiunea de izolaţie, izU , este valoarea maximă a tensiunii

electrice continue care poate exista între intrare şi ieşire un timp

nelimitat fără ca optocuplorul să se distrugă. Valorile curente sunt

cuprinse în domeniul 10003000V pentru optocuploarele încapsulate

în plastic într-o structură DIP (dual-in-line package) şi pot ajunge la

50KV în structuri încapsulate axial.

c) Rezistenţa de izolaţie , izR , este dată de curentul măsurat sub o

tensiune continuă aplicată între intrare şi ieşire; aceasta are valori de

ordinul 1210 1010 .

d) Capacitatea intrare-ieşire , C ,este o mărime parazită care cuplează

circuitele în curent alternativ. Producătorii specifică frecvenţa la care

se măsoară C - de regulă la MHz1 . Un optocuplor de calitate trebuie

să aibă o valoare pFC 1 .În circuitele reale mărimile 3 şi 4 pot fi

influenţate puternic de cablajul pe care este plantat optocuplorul.

e) Frecvenţa maximă , maxf , a semnalului transmis prin optocuplor

reprezintă frecvenţa la care pentru semnale sinusoidale atenuarea

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

110

atinge 3dB, iar în cazul semnalelor digitale se ia în calcul viteza de

creştere a semnalului treaptă indicându-se numărul maxim de

impulsuri pe secundă. De regulă, frecvenţa maximă este dictată de

fotodetector care este mai lent decât dioda electroluminescentă din

optocuplor.

f) Factorul de rejecţie al modului comun , CMRR , reprezintă raportul

dintre amplificarea modului diferenţial şi cea a modului comun.

Semnalul de mod diferenţial este cel care se transmite de la intrare

spre ieşire; semnalul de mod comun este unul parazit ce apare atât la

intrare cât şi la ieşire şi este datorat unor cauze cum sunt variaţiile

diferenţei de potenţial dintre punctele de masă.

10. Studiul experimental al optocuplorului. În cadrul părţii experimentale se va studia un optocuplor pentru

semnale analogice tip FBPC120 .Se utilizează montajul din figura 12.

Se alimentează optocuplorul prin stabilizatorul 2 care asigură

o tensiune de 9V.

Se comută întrerupătorul K în poziţia A ceea ce permite

aplicarea pe intrarea optocuplorului a unei tensiuni continue

variabile de la sursa stabilizată 3.

Se modifică în sens crescător tensiunea continuă aplicată

optocuplorului citind pe voltmetrul electronic 4 tensiunea

obţinută la ieşire.Se lucrează în domeniul 07Vpentru

tensiunea de intrare.

După preluarea datelor experimentale se trasează caracte-

ristica de transfer în curent continuu.

Se comută K în poziţia B şi se aplică de la generatorul 5 un

semnal sinusoidal cu frecvenţa de 1000Hz şi valoarea efectivă

de 3V. Se observă pe osciloscopul 6 forma semnalului.

Se trasează caracteristica de frecvenţă a optocuplorului

identificând maxf .

Se trece generatorul de semnal pe fază dreptunghiulară de

undă şi se analizează forma semnalelor de comutaţie pornind

de la frecvenţe joase şi ajungând la frecvenţe mai înalte.