II semestar (2+2+0)

Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337

dragan.pantic@elfak.ni.ac.rs

2019 – Predavanje 13

http://mikro.elfak.ni.ac.rs

6/4/2019

Elektronske komponente -

Pasivne komponente 2

Fotootpornik (svetlosna karakteristika, spektralna karakteristika)

Princip rada fotodiode i fototranzistora

LED

Optokapler – simbol, uloga

Prilikom osvetljavanja poluprovodnika u njemu se povećava koncentracija i manjinskih i većinskih nosilaca

Unutrašnji fotoelektrični efekat

Efekat se javlja kada usled energije fotona elektroni prelaze iz valentne zone, ili sa primesnih nivoa, u provodnu zonu, kao i iz valentne zone na primesne nivoe

Energija fotona mora biti veća ili jednaka aktivacionoj energiji Ea odgovarajućeg prelaza:

(5.1)

gde je h = 6,6710-34 Js Plankova konstanta, a f učestanost elektromagnetnog zračenja (svetlosti).

aEhf

Iz (5.1) se dobija maksimalna talasna dužina elektromagnetnog talasa koji može da izazove fotoefekat

"crvena" granica fotoefekta

“crvena" granica unutrašnjeg fotoefekta u poluprovodnicima često se nalazi u oblasti infracrvenog zračenja

max reda nekoliko m

neke poluprovodničke komponente se mogu koristiti u prijemnicima infracrvenog zračenja.

Osvetljavanje poluprovodnika i poluprovodničkih

komponenata ima sledeće posledice:

1. Povećava se provodnost poluprovodnika.

2. Ukoliko je fotoefekat u blizini p-n spoja, nastaje

povećanje inverzne struje p-n spoja.

3. Usled difuzionog kretanja nosilaca, na p-n spoju će

se promeniti visina barijere i u tom slučaju

osvetljen p-n spoj može služiti kao izvor električne

energije.

Obrnuto, prilikom proticanja struje kroz p-n spoj,

usled rekombinacije nosilaca dolazi do

emitovanja svetlost i takav elemenat može da

služi kao izvor svetlosti.

Absorpcija i emisija svetlosti

FOTOOTPORNIK

- radili smo kod otpornika - Fotootpornici su poluprovodnički otpornici kod kojih se

otpornost smanjuje pod uticajem svetlosti

Rad poluprovodničkih fotootpornika zasnovan je na efektu fotoprovodnosti (unutrašnjem fotoelektričnom efektu).

Izrađuju se od: kadmijum sulfida (CdS)

kadmijum selenida (CdSe)

kadmijum sulfoselenida (CdSSe)

cink sulfida (ZnS)

za oblast infracrvenog zraČenja od olovo sulfida (PbS), indijum antimonida (InSb), kadmijum telurida (CdTe)

Otporni materijal se nanosi na izolacionu podlogu, a preko toga se prekriva providnim materijalom

Konstruktivni izgled fotootpornika: apločica od steatita;

bfotoosetljivi otporni sloj (CdS); celektrode za kontakt (ovde su

u obliku češlja); dprovidno kućište od epoksidne smole; eizvodi.

Osnovne karakteristike fotootpornika:1. Statička strujno-naponska karakteristika predstavlja

zavisnost jednosmerne struje koja protiče kroz fotootpornik od napona na njemu pri konstantnom osvetljaju. Razlika između struje koja protiče kroz fotootpornik kada je on osvetljen i struje neosvetljenog fotootpornika (struje tame) zove se fotostruja. Strujno-naponska karakteristika fotootpornika je u većini slučajeva linearna ili bliska linearnoj

Osnovne karakteristike fotootpornika:2. Promena otpornosti sa osvetljajem – meri se pri različitom

osvetljenju otpornika svetlošću složenog spektralnog sastava

Osnovne karakteristike fotootpornika:3. Svetlosna karakteristika predstavlja zavisnost fotostruje IF od

osvetljenosti E, pri konstantnom naponu

A konstanta koja zavisi od tipa fotootpornika

konstanta koja zavisi od

talasne dužine svetlosti i tipa

fotootpornika

E osvetljenost.

EAI F

Osnovne karakteristike fotootpornika:4. Spektralna karakteristika izražava relativnu promenu fotostruje u

zavisnosti od talasne dužine svetlosti koja pada na fotootpornik. Karakteristično je za sve fotootpornike da postoji talasna dužina opt, zavisno od materijala od koga je sačinjen fotootpornik, pri kojoj je najveća promena fotostruje - maksimalna spektralna osetljivost

FOTODIODA Planarna dioda kod koje je anodni kontakt izveden

samo na delu difundovane površine, tako da je samo mali deo površine p-tipa zaklonjen kontaktom

Svetlost koja pada na površinu prodire u silicijum, tako da struja inverzno polarisane diode pri osvetljavanju poraste usled povećanja koncentracije manjinskih nosilaca u p-oblasti, koja je vrlo tanka, i u n-oblasti u dubini ispod prelazne oblasti

Inverzna struja poraste i usled generacije nosilaca u prelaznoj oblasti. Stvoreni elektroni odlaze iz prelazne oblasti u n-oblast, a šupljine u p-oblast.

Koncentracija generisanih nosilaca proporcionalna svetlosnom fluksu

koji je pao na aktivnu površinu diode

(n i p pa je povećanje inverzne struje proporcionalno svetlosnom fluksu

KI

K - osetljivost fotodiode

FOTOGENERATOR - SOLARNA ĆELIJA

Fotogenerator stvara elektromotornu silu pod uticajem svetlosti - fotodioda koja nije priključena na spoljašnji izvor napajanja

Pod dejstvom ugrađenog polja u prelaznoj oblasti p-nspoja, svetlošću generisani elektroni iz prelazne i p-oblasti preći će u n-oblast, a šupljine iz prelazne i n-oblasti u p-oblast

Usled toga narušiće se ravnoteža, anoda će se naelektrisati pozitivno, a katoda negativno

Ako spojimo krajeve (anodu i katodu), poteći će struja –dioda se ponaša kao generator električne energije

Solarna ćelija, pretvara sunčevu energiju u električnu

Paralelnim i rednim vezivanjem većeg broja solarnih ćelija dobijaju se solarni paneli koji mogu da napajaju manje potrošače.

statička karakteristika fotogeneratora –karakteristika za neosvetljeni fotogenerator ( = 0) je praktično

karakteristika diode. Osvetljavanjem raste inverzna struja, pa se

karakteristika spušta

Ako dioda nije

kratkospojena, kontaktna

razlika potencijala se mora

smanjiti za V0 da bi

potekla i difuziona struja, odnosno da bi ukupna

struja bila jednaka nuli.

ekvivalentna šema fotogeneratora – idealnoj diodi,

kroz koju protiče difuziona struja usled promene barijere, na red je

vezana otpornost Rs, a paralelno otpornost Rp i strujni generator

fotoelektrične struje I. Za razliku od redne otpornosti, paralelna

otpornost Rp se uglavnom može zanemariti

Uprošćena ekvivalentna šema fotogeneratora i strujno-naponska karakteristika fotogeneratora u aktivnom području

fotostruja I se deli na jednu kroz otpornost

potrošača Rp to je spoljašnja struja I i drugu I1 to je difuziona struja kroz diodu

Režim rada fotogeneratora se bira tako da

korisna snaga bude najveća

Korisna snaga je:

Rp se bira tako da osenčena površina na bude

maksimalna.

UIPK

Elementi PV sistema

a) PV panel

b) kontrolni panel

c) power storage sistem

d) invertor DC/AC

e) backup power supplies

(diesel startup generators)

Tipovi PV sistema

Direktno povezan PV

sistem (dole)

Stand-alone PV sistem

(desno gore)

Hibridni PV sistem (desno

dole)

Full summer sunlight = 1000W/m-2

PV ćelija, molul, panel,...

Tipovi solarnih ćelija

Monokristalne Si solarne

ćelije

Tipovi solarnih ćelija

Polikristalni solarni panel

Tipovi solarnih ćelija

a-Si solarni panel

World cell/module production, consumer and commercial, 1994-2002 (MW).

Source: PV News, Vol. 22, No. 3, 2003

Top ten PV cell/module producers, 1999-2002. Source: PV News, Vol. 22 No. 3, 2003

Solarni sistemi za grejanje

3. januar 2004.

3. februar 2004.

3. mart 2004.

3. april 2004.

28. april 2004.

FOTOTRANZISTOR Povećanje osetljivosti fotoelemenata postiže se

fototranzistorima

Fotodiodi se dodaje emitor, dobija se tranzistor, koji ima veliku površinu kolektorskog spoja – svetlost deluje uglavnom na kolektorski spoj

Ovaj tranzistor je zatvoren u providno kućište kako bi svetlost prodirala do tranzistorske strukture. S obzirom da je najvećim delom osvetljen kolektorski p-n spoj, to je kao da je kolektor-baznom spoju paralelno vezana fotodioda

Kako je bazna struja praktično jednaka fotostruji I, to znači da je kolektorska struja IC = I

Fototranzistor je puta osetljiviji od fotodiode koja ima istu efektivnu površinu

FOTOLUMINISCENTNE DIODE

(LED) LED (Light-Emitting Diode) – svetleća dioda, vrši obrnuti

proces: električnu energiju, odnosno električni signal pretvara u

svetlosnu energiju

osnovni princip na komese zasniva rad svetlećihdioda

elektron u valentnoj zoni ima manju energiju od elektrona u provodnoj zoni za veličinu širine zabranjene zone Eg

Pri rekombinaciji direktnim prelaskom elektrona iz provodne u valentnu zonu oslobađa se energija čija je vrednost jednaka Eg

energija se pretvara u foton svetlosti energije:

hf = Eg.

Da bi poluprovodnik emitovao svetlost, neophodno je da postoji veliki broj pobuđenih elektrona

Pobuđivanje elektrona sa nižeg na viši energetski nivo najbolje se postiže injekcijom -p-n spoja pri direktnoj polarizaciji

U tom slučaju slobodni elektroni iz provodne zone n-tipa prelaze u provodnu zonu p-tipa. Pošto u p-tipu ima mnogo šupljina, rasteintenzitet rekombinacije, i dolazi do svetlosnogzračenje spontana emisija

Ukoliko je struja veća, a to je direktna struja diode IF, biće veća i jačina svetlosti

Način povezivanja LED

Od širine zabranjene zone zavisi energija fotona, odnosno talasna dužina svetlosti

Izborom poluprovodnika možemo dobiti željenu talasnu dužinu svetlosti

LED se ne realizuju u silicijumskoj tehnologiji, tako da je njihov napon pri direktnoj polarizaciji znatno veći od 0.7 V

LED se izrađuju od poluprovodničkih materijala čije su vrednosti energetskih procepa veće nego u slučaju silicijuma

Trokomponentno jedinjenje galijum-arsenid-fosfid (GaAsP) zrači vidljivu crvenu svetlost, dok se LED od galijum-arsenida (GaAs) koristi za infracrveno (nevidljivo) područje spektra

Spektralne karakteristike LED u vidljivom delu spektra

Spektralna karakteristika LED za infracrveno područje

KOMPONENTE SA

SVETLOSNOM SPREGOM Komponenta sa svetlosnom spregom sastoji se od dve nezavisne

optokomponente

Prva komponenta je svetleća dioda (LED), a druga je neka od fotokomponenata: fotootpornik, fotodioda ili, najčešće, fototranzistor

Između njih je providan izolator. LED je prema tranzistoru okrenuta tako da zrači najveći intenzitet svetla, a fototranzistor je okrenut prema diodi svojom fotoosetljivom stranom.

OPTOKAPLER

POLUPROVODNIČKE

LASERSKE DIODE!! dopuni Bitna karakteristika lasera, koja ga izdvaja od ostalih

izvora svetlosti, jeste emisija strogo definisanih (uzanih) snopova monohromatske svetlosti

Princip rada laserske diode je sličan radu svetleće diode, ali za razliku od LED kod koje svetlost nastaje usled spontane emisije, kod laserskih dioda svetlost je rezultat procesa stimulisane emisije

laser – Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation

Stimulisana emisija nastaje kada kod direktno polarisane diode pored emisije fotona (spontana emisija) dolazi do stvaranja fotonske lavine, tj. kada svaki ovako stvoreni foton uzrokuje stvaranje drugih fotona koji imaju iste optičke osobine (istu frekvenciju, smer, stanje polarizacije).

Laserske diode se proizvode od poluprovodnika sa direktnim prelazom nosilaca iz provodne u valentnu zonu, u koje ne spada silicijum

To su jedinjenja iz III i V ili iz II i VI grupe periodnog sistema

p-n spoj formira kao heterospoj, a to znači da je takav spoj sačinjen od različitih poluprovodničkih jedinjenja

Obrada informacija - Laseri male snage (crveni laseri), sa visokokvalitetnim snopom koriste se prilikom optičkog skladištenja i iščitavanja podataka. Crveni laseri se još koriste kao markeri ili indikatori.

Audio-vizuelna tehnika - Kompakt-disk (CD) plejeri koriste AlGaAs tip lasera sa snopom talasne dužine 780 nm, a u mogućnosti su da postignu skladištenje 700 MB podataka na površinu jednog diska. DVD uređaji koriste lasere tipa AlGaInP sa zračenjem na talasnoj du`ini od 640 nm, i time postižu nešto veću rezoluciju i mogućnost skladištenja veće količine informacija.

Optičke komunikacije - Laserske diode su našle primenu u sistemima sa optičkim vlaknima i na njima zasnovane tehnologije prenosa podataka

Osnovne primene plouprovodničkih lasera

INTEGRISANA KOLA

6/4/2019

Elektronske komponente -

Pasivne komponente 58

Integrisano kolo je složeno električno kolo

sastavljeno iz mnoštva elemenata

objedinjenih na jedinstvenoj podlozi koje je

spremno za ugradnju u složenije sisteme

Može se koristiti i kao jedinstvena

komponenta.

Ono u sebi sadrži čitave električne šeme

sa različitim komponentama, kao što su:

tranzistori, otpornici i kondenzatori.

Integrisano kolo sa

osnovnim sastavnim

delovima

Funkcija koju obavlja integrisano kolo

uslovljava njihovu osnovnu podelu na:

analogna (na primer, operacioni

pojačavač),

digitalna (na primer, procesor) i

mešovita − na primer, A/D i D/A

konvertori − ona koja obrađuju I

analogni i digitalni signal na istom čipu

(čip − poluprovodnička pločica s

monolitnim sklopom).

Analogna IC Digitalna IC

Vrste integracije Otkriće tranzistora – integrisana kola!!

Automobilska industirja – ista brzina razvoja: 1 litar benzina/1 000 000 km

Brzina > 1 000 000 km/h

Cena nekoliko eura

Težina oko 100 g

Vreme eksploatacije 10 000 godina

Stepen integracije: broj tranzistora po jedinici površine

SSI (Small Scale

Integration) − kola

malog stepena

integracije, do 100

elemenata;

MSI (Medium Scale

Integration) − kola

srednjeg stepena

integracije, 100 do

1000 elememata;

LSI (od Large Scale Integration) − kola visokog stepena integracije (1000 -10000 elemenata)

VLSI (od Very Large Scale Integration) − kola vrlo visokog stepena integracije (10000 -100000 tranzistora)

ULSI (od Ultra Large Scale Integration)

− kola izuzetno visokog stepena

integracije sa preko milion tranzistora

po integrisanom kolu ili čipu;

U2LSI3 (od Ultra-Ultra Large Scale Integration) −

kola izuzetno-izuzetno visokog stepena

integracije, sa preko milijardu tranzistora po

integrisanom kolu ili čipu (sa preko milion

tranzistora po mm2).

Velika disipacija (napon napajanja 0,8V – za snagu od 80W struja je 100A)

Neophodno je hlađenje!!!

Vrste integrisanih kola – podloga

Vrste integrisanih kola – tehnologija

Monolitna integrisana kola

Najčešća integrisana kola

Planarna integrisana kola

Izrada je bazirana na planarnoj tehnologiji

Struktura osnove je planarna – ravna

Dimenzije komponenata vertikalne na

površinu su za više od reda velićine manje od

debljine osnove pa se stiče utisak da su

komponente u jednoj ravni

Tankoslojna i debeloslojna IC

Uporedo sa monolitnim IC razvijala su se, ali u znatno manjoj meri, i integrisana kola u tehnologiji debelog i u tehnologiji tankog filma.

U oba slučaja kao podloga kola služi tanka pločica od izolatorskog materijala, npr. od specijalnih vrsta keramike.

U tehnologiji debelog filma se na podlogu metodom sito-štampe nanose provodni, otporni, dielektrični i izolatorski slojevi, pomoću kojih se formiraju pasivne komponente debeloslojnog integrisanog kola (npr. otpornici, kondenzatori, provodne veze)

U tehnologiji tankog filma se za nanošenje odgovarajućih slojeva koristi tehnika vakuumskog naparavanja ili tehnika katodnog (jonskog) raspršavanja.

Ovom tehnologijom, kao i debeloslojnom, mogu se dobiti dovoljno kvalitetne pasivne komponente.

Moguće je dobiti i pojedine aktivne komponente, one se u praksi dodaju kao diskretne.

Hibridna integrisana kola

Hibridna integrisana kola su kombinacija monolitnih kola i elemenata s kolima koja su urađena tehnikama debelog ili tankog filma.

Pasivne komponente se realizuju debeloslojnom ili tankoslojnom tehnologijom.

Aktivna kola, realizovana planarnim procesom, dodaju se naknadno u formi čipa koji se na pasivnoj podlozi povezuje sa debeloslojnim ili tankoslojnim komponentama.

Postoje deboslojna i tankoslojna hibridna integrisana kola