Instituto Tecnológico de Matamoros

Dispositivos opticos

Especialidad: Ing. Electrónica

Materia: Física de semiconductores

Maestro: José Luis Cuellar Ruiz

Representante de equipo: Isael Gustavo Zanella

Integrantes equipo 6:

Jorge Alejandro Reyes Torres

Mario Arturo Cruz Colunga

Hermenegildo Martínez de la Cruz

Miguel Ángel Fierros Peña

Isael Gustavo zanella

H. Matamoros, Tamaulipas. 19/Octubre/2012

Fotodiodo

La longitud de onda es importante porque determina el tipo de material que se utilizara en el dispositivo optoelectrónico. La respuesta espectral relativa del Ge, Si y selenio se señala en la figura.

El número de electrones libres generado en cada material es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La intensidad luminosa es una medida de la cantidad de flujo luminoso que incide sobre el área de una superficie particular. El flujo luminoso, por lo general se mide en lúmenes (lm) o watts. Las dos unidades se encuentran relacionadas mediante

1 lm/ft2=1fc=1.496x10-9W

La intensidad luminosa normalmente se mide en lm/ft2, pies candela (fc) o W/m2, donde

Lm/ft2= 1fc=1.609x10-9 W/m2

El fotodiodo es un dispositivo semiconductor de unión p-n cuya región de operación se limita a la región de polarización inversa.

La corriente de saturación inversa se encuentra normalmente limitada a unos cuantos microamperes. Esto se debe únicamente a los portadores minoritarios térmicamente generados en los materiales de tipo n y de tipo p. La aplicación de luz a la unión ocasionaría una transferencia de energía de las ondas de luz incidentes (en forma de fotones) hacia la estructura atómica, lo que ocasionaría un incremento en el número de portadores minoritarios y un nivel mayor de corriente inversa.

La corriente de obscuridad es la corriente que se presenta sin iluminación aplicada. Observe que la corriente solamente regresaría a cero

con una polarización aplicada positiva igual a Vr. adema, la figura demuestra el uso de un lente para concentra la luz sobre la región de la unión.

El Ge abarca un espectro más amplio de longitudes de onda que el Si. Esto lo vuelve adecuado para luz incidente en la región infrarroja que proporcionan las fuentes luminosas de laser e IR (infrarrojos). Por supuesto, el Ge tiene mayor corriente de obscuridad que el silicio, pero también tiene un mayor nivel de corriente inversa. El nivel de corriente generado por la luz incidente sobre un fotodiodo es tal que no es posible utilizarla como un control directo, pero puede amplificarse para este propósito.

Aplicación del fotodiodo.

El fotodiodo se utiliza en un sistema de alarma. La corriente inversa Iλ

permanecerá fluyendo siempre que el rayo de luz no se interrumpa. Si esto sucede, Iλ caerá al nivel de corriente de obscuridad y la alarma se activara.

DIODOS EMISORES DE LUZ (LED)

El diodo emisor de luz (LED) es, como su nómbrelo indica, un diodo que producirá luz visible cuando se encuentre energizado. En cualquier unión p-n polarizada directamente, dentro de la estructura y cerca principalmente de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones. Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En las uniones p-n de semiconductor una parte de esta energía se convertirá en calor y otro tanto en la forma de fotones. En el silicio y el germanio, el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. En otros materiales, como el fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) o el fosfuro de galio (GaP), el número de fotones de la energía luminosa emitida es suficiente para crear una fuente luminosa muy visible.

El proceso de producción de luz aplicando una fuente de energía eléctrica se denomina electroluminiscencia.

Como se muestra en la figura 1, la superficie conductora conectada al material p es mucho menor para permitir que sobresalga un número máximo de fotones de energía luminosa. Nótese que en la figura que la recombinación de los portadores inyectados debidos a la unión polarizada directamente da como resultado la emisión de luz en el sitio de la recombinación. Desde luego, es posible que haya algo de absorción de los paquetes de energía fotonica en la propia estructura, pero un porcentaje bastante elevado es capaz de abandonarla, como se muestra en la figura.

Figura 1 (a) Proceso de electroluminiscencia en el LED; (b) Símbolo grafico.

Como el LED es un dispositivo de unió p-n, tendrá una característica de polarización directa (figura 2a) similar a las curvas de respuesta del diodo.

Notese el aumento casi lineal en la intensidad luminosa relativa con la corriente en sentido directo. (figura 2b).

Figura 2(a).

Figura 2(b).

Diodo Laser

En un LED los electrones libres radian luz cuando caen de niveles de energía superior a niveles inferiores y lo hacen de forma aleatoria y continuamente produciendo longitudes de onda con fases entre 0 y 360 grados .La luz tiene muchas fases diferentes se llama luz no coherente, por consiguiente un LED produce luz no coherente.

Un diodo laser es diferente en ese aspecto, ya que produce luz coherente, lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre si, la idea básicas de un diodo laser consiste en usar una cámara resonante con espejos que esfuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase .A causa de esta resonancia, un diodo laser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.

El diodo laser también se le conoce como laser semiconductor. Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde y azul) y luz invisible (infrarroja).se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha.

Aplicaciones del diodo laser

Entre los primeros encontramos los diodos laser en los reproductores de discos compactos e impresoras laser. En comunicaciones de banda ancha se usan con cables de fibra óptica para incrementar la velocidad en internet.

Un cable de fibra óptica es análogo a un par trenzado, excepto que las trenzas son una fibra de vidrio plástico delgada y flexible que transmiten un haz de luz en lugar de los electrones libres. La ventaja consiste en que se puede enviar mucha información a través de un cable de fibra óptica que a través de un cable de cobre.

Fotoresistor (Celdas Fotoconductoras)

La celda fotoconductora es un dispositivo semiconductor de dos terminales

cuya resistencia terminal varía (linealmente) con la intensidad de luz incide. Por

razones obvias, con frecuencia se llama dispositivo fotorresistivo. En la grafica

de abajo se ilustra la construcción típica de una celda fotoconductora junto con

el símbolo gráfico más común.

Entre los materiales fotoconductores mas frecuente están el sulfuro de cadmio

(CdS) y el seleniuro de cadmio (CdSc). La respuesta espectral pico ocurre a

aproximadamente 5100ª para CdS y a 6150 A para CdSe (observe la figura de

abajo). El tiempo de las unidades de CdS es alrededor de 100 ms y el de las

celdas de CdSe es de 10 ms. La celda fotoconductora no tiene unión como el

fotodiodo. Una delgada capa del material conectada entre las terminales

simplemente se expone a la energía luminosa incidente.

A medida que la iluminación que incide en el dispositivo se hace mas intensa,

el estado energético de un mayor número de electrones es la estructura

también se incrementara debido a la disponibilidad incrementada de los

paquetes de fotones de energía. El resultado es un número cada vez mayor de

electrones “Libres” en la estructura y la reducción de la resistencia terminal. La

curva de sensibilidad de un dispositivo fotoconductor típico aparece en la figura

16.28. Observe la linealidad (cuando se traza utilizando una escala logarítmica)

de la curva resultante y el gran cambio en la resistencia (100kΩ→100Ω) para el

cambio indicado

de

iluminación.

Estructura

Símbolo

Aplicación

En la figura 16.30 aparece una aplicación bastante sencilla pero interesante del

dispositivo. El propósito del sistema es mantener V a un nivel fijo aunque V,

puede fluctuar a partir de su valor nominal. Como se indica en la figura, la celda

fotoconductora., el foco y el resistor forman parte de este sistema regulador. Si

por cualquier razón la magnitud de V, se reduce, la brillantez del foco también

se reduce. La reducción de la iluminación aumenta la resistencia (R) de la

celda fotoconductora para mantener V a su nivel nominal como lo determina la

regla del divisor de voltaje es decir,

V 0=RλV iRλ+R i

Celda solar

En años recientes se ha incrementado el interés de en la celda solar como fuente alternativa de energía. Cuando consideramos que la densidad de potencia recibida del sol es aproximadamente 100mW/cm²(1kW/m²)ciertamente es una fuente de energía que requiere mas investigación y desarrollo para incrementar al máximo la eficiencia de conversión de energía solar a energía eléctrica

La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se muestra en la figura anterior como aparece en la vista superior, se procura en la medida de lo posible que el área dela superficie perpendicular al sol sea la máxima .obsérvese que el conductor metálico conectado al material tipo p y el espesor del material tipo p garantiza que llegue la unión la máxima cantidad de fotones de energía luminosa. Un fotón de energía luminosa en esta región puede chocar con el electrón de valencia e impartirle suficiente energía para que abandone el átomo padre .El resultado es la generación de electrones

huecos y libres. Este fenómeno ocurrirá en ambos lados de la unión. En el material tipo p los electrones recién generados son portadores minoritarios y se moverán con cierta libertad atraves de la union

El selenio y el silicio son los materiales mas utilizados para las celdas solares , aunque también se utiliza el Arseniuro de Galio , Arseniuro de Indio y sulfuro de cadmio.

Bibliografía

R.L Boylestad,N.L Nashelsky,”Teoria de circuitos y Dispositivos electrónicos”

10ª edición ,editorial PEARSON,

Malvino Albert,J.Bates David,”Principios de Electronica”

7ª edición editorial Mc Graw Hill