DISPOSITIVI OPTOELETTRONICI

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1 DISPOSITIVI OPTOELETTRONICI I componenti optoelettronici sono dispositivi che interagiscono con onde elettromagnetiche di lunghezza d onda compresa tra l infrarosso e l ultravioletto. Un dispositivo optoelettronico è un fotoemettitore quando è in grado di convertire energia elettrica in una radiazione luminosa. Appartengono a questa categoria: 1. diodi LED 2. dispositivi a cristalli liquidi Un dispositivo optoelettronico è un fotorivelatore quando l onda elettromagnetica cioè la radiazione luminosa ne modifica il comportamento elettrico. Appartengono a questa categoria: 1. fotoresistenze 2. fotodiodi 3. fototransistor e fotodarlington 4. celle fotovoltaiche 5. fototiristori FOTOEMETTITORI LED LED è un acronimo per Light-Emitting Diode (diodo ad emissione di luce). Il primo LED è stato sviluppato da Nick Holonyak Jr. (nato nel 1928) nel Si parla di VLED se la radiazione emessa cade nella spettro del visibile ( energia superiore a 1,8 ev dipende dal materiale utilizzato) IRED se la radiazione emessa cade nella spettro dell infrarosso (comunicazione dati, sistemi di controllo) Funzione fisica Il dispositivo sfrutta le proprietà ottiche, di alcuni materiali semiconduttori, di produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo drogate con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo N per gli elettroni e P per le lacune. Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione.

2 Quando un diodo LED viene polarizzato direttamente, gli elettroni e le lacune vengono iniettati rispettivamente nelle zone P e N, dove si ricombinano con le cariche maggioritarie ivi presenti. Quando un elettrone si ricombina con una lacuna passa dalla banda di conduzione a quella di valenza emettendo l energia acquistata precedentemente per andare in conduzione. Se tale energia cade nella spettro del visibile noi vediamo la luce emessa. Quanto più elevata è la corrente, tanto più alto è il ritmo di ricombinazione e quindi l intensità della radiazione emessa. La lunghezza d onda della radiazione emessa dipende quindi dal salto d energia necessario per il passaggio degli elettroni dalla banda di conduzione alla banda di valenza e dai livelli di drogaggio dei materiali semiconduttori utilizzati. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. Per aumentare l efficienza di emissione il diodo viene rivestito con una sostanza ( di solito una lente di resina epossidica) avente un opportuno indice di rifrazione. I LED sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita. Assorbimento Per quanto riguarda gli assorbimenti, questi sono maggiori nei LED comuni rispetto a quelli ad alta luminosità, secondo la seguente tabella: Tipologia LED Assorbimento (ma) LED normali LED flash Forza Commerciale La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro potenzialità di ottenere elevata luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade flourescenti e a filamento di tugsteno), basso prezzo, elevata efficienza ed affidabilità (la durata di un LED è di molti ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici); inoltre essi non richiedono circuiti di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.

3 Caratteristiche tecniche In molti casi i LED sono alimentati in continua con una resistenza in serie Rs per limitare la corrente diretta al valore di lavoro, il quale può variare da 5-6 ma fino a 20 ma quando è richiesta molta luce. Il valore della resistenza in serie Rs è calcolato mediante la legge di Ohm conoscendo la corrente di lavoro richiesta If, la tensione di alimentazione Vs e la differenza di potenziale del LED alla corrente di lavoro data, Vf. La differenza di potenziale del LED Vf può essere stimata da quella data per una corrente di 20 ma nel datasheet del prodotto. I LED devono essere fatti operare solo con tensione diretta e non devono essere sottoposti a tensioni inverse che potrebbero danneggiarli. In linea generale, quando non si possiede il datasheet specifico, si può considerare per i LED consueti di diametro 5 mm una tensione Vf pari a circa 2 V ed una corrente di lavoro If prudenziale di ma, fino a 20 ma. Valori superiori di corrente sono in genere sopportati, ma non assicurano un funzionamento duraturo. Polarità e controllo di un LED Il terminale più lungo di un diodo o di un led è l'anodo (+) in contrapposizione quindi al catodo, terminale più breve. Le polarità vengono inoltre contraddistinte sull'involucro tramite un taglio: se si guarda infatti il led dall'alto, si può notare come una piccola parte della circonferenza di base sia smussata. In corrispondenza del taglio troviamo un reoforo che è collegato al catodo del dispositivo. Generalmente ciò è visibile su led da 5mm o superiori. Nel caso dei led 3mm, si rende necessario l'uso di un tester in quanto tale taglio (se presente) non è quasi visibile. Colori I LED convenzionali sono composti da vari materiali inorganici che producono i seguenti colori: AlGaAs - rosso ed infrarosso GaAlP - verde GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo GaN - verde e blu GaP - rosso, giallo e verde ZnSe - blu InGaN - blu-verde, blu InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde SiC come substrato - blu Diamante (C) - ultravioletto Silicio (Si) come substrato - blu (in sviluppo) Zaffiro (Al2O3) come substrato - blu

4 Inoltre, la caduta di tensione dei LED è relazionata al colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella: Tipologia LED Caduta di tensione Vi (volt cc) Colore rosso 1,8 Colore verde 2,0 Colore giallo 1,9 Colore arancio 2,0 Flash blu/bianco 3,0

5 FOTO RIVELATORI FOTORESISTENZEI I fotoresistori sono rivelatori fotoconduttivi sono cioè dispositivi in grado di convertire la radiazione incidente in un segnale elettrico. Il fotoresistore è costituito sostanzialmente da pasticche di materiale semiconduttore composto di tipo N (Cds o PbS solfuro di cadmio o di piombo) sinterizzato. Sulla superficie vengono realizzati due elettrodi utilizzando tecniche interdigitate. La radiazione luminosa incidente eccita gli elettroni che passano quindi in banda di conduzione lasciando lacune in banda di valenza: questo fenomeno è detto effetto fotoelettrico interno. Le coppie formate con la radiazione si aggiungono a quelle preesistenti, quindi aumenta la conducibilità e diminuisce la resistenza. La conducibilità addizionale è detta fotoconduttività, mentre la conducibilità allo stato di equilibrio, in assenza di luce, è detta dark conductivity ( solo agitazione termica). I vantaggi sono: - sono robuste ed economiche - hanno una buona sensibilità - offrono valori di resistenza che vanno dal M ( condizione di buio) alle decine ( massima luminosità) - vengono alimentate sia in continua che in alternata I difetti sono: - i tempi di vita e di decadimento delle cariche in eccesso sono elevati: una fotoresistenza che viene oscurata dopo essere stata illuminata può impiegare anche qualche secondo prima di ritornare al valore di dark conductivity. - lavorano meglio a temperature relativamente basse - limitatissima banda passante a causa dell alto tempo di ricombinazione delle copie elettronelacuna quindi non è adatto nelle applicazioni dove è richiesta un'elevata velocità di commutazione. FOTODIODI 1 2 I fotodiodi sono comuni diodi a giunzione PN, costruiti in modo che la piastrina di semiconduttore possa essere raggiunta dalla radiazione. Per questo motivo hanno spesso un rivestimento plastico trasparente e una lente per concentrare la radiazione sulla giunzione. La radiazione luminosa incidente incrementa la generazione di coppie elettrone-lacuna, quindi aumenta il numero di portatori minoritari: agisce da iniettore di portatori minoritari. In assenza di luce il fotodiodo si comporta come un comune diodo e presenta la stessa caratteristica I/V, che passa per l'origine. In polarizzazione inversa passa una debole corrente inversa, dovuta alla presenza di cariche minoritarie di origine termica, che nel fotodiodo viene chiamata corrente di buio o dark current (0,01 0,1 A fotodiodi al Si). Una radiazione luminosa provoca un aumento dei portatori minoritari, aumenta la corrente inversa e la caratteristica I/V trasla verso il basso.

6 1 2 Voc Isc Il foto diodo presenta nel III e nel IV quadrante due diversi modi di funzionamento. 1 2 III quadrante: il fotodiodo è un fotoconduttore 2 1 R In questo quadrante il fotodiodo è polarizzato inversamente e, se è sottoposto a radiazione, la corrente che scorre è prevalentemente fotocorrente, quindi dipende linearmente dal flusso luminoso incidente. Una delle applicazioni tipiche è quella di interruttore comandato dalla luce. Al contrario delle fotoresistenze, i fotodiodi hanno tempi di risposta piuttosto brevi (100psec). Questo lo si ottiene sfruttando strutture particolari: volumi piccoli con zone di svuotamento larghe (C T basse), la zona di svuotamento dove si producono i portatori responsabili della fotocorrente deve essere molto vicina alla superficie illuminata in modo che la radiazione sia più efficace. Generalmente i fotodiodi sono realizzati con una struttura PIN. Applicazioni: Il fotodiodo viene utilizzato nelle apparecchiature di misura di intensità luminosa e come sensore nei circuiti di controllo della luminosità.

7 CELLE FOTOVOLTAICHE: Nel IV quadrante: il fotodiodo è un dispositivo fotovoltaico Nel IV quadrante il fotodiodo viene utilizzato per convertire l'energia luminosa assorbita in energia elettrica. In assenza di illuminazione i valori limite del IV quadrante sono la corrente di corto (I sc ), corrispondente a polarizzazione nulla, e la tensione a circuito aperto detta tensione a vuoto (V oc ); la tensione che appare ai capi di un fotodiodo a circuito aperto, ad una data intensità della radiazione incidente, viene definita f.e.m. fotovoltaica (0,35 0,5V per fotodiodi al Si). La presenza della f.e.m. fotovoltaica si può spiegare in questo modo: in una giunzione PN a circuito aperto, non illuminata, la barriera di potenziale si assesta ad una certa altezza definita dall'equilibrio delle due correnti di cariche minoritarie e maggioritarie. Se la giunzione viene investita dalla luce, si generano portatori minoritari in più che passano attraverso la barriera e aumentano il valore della corrente inversa. Poiché in condizioni di circuito aperto la corrente totale deve essere =0, questo vuol dire che la corrente dei portatori maggioritari deve aumentare della stessa quantità di cui aumenta quella dei portatori minoritari. Ma questo aumento è possibile solo se diminuisce l'intensità del campo elettrico a cavallo della giunzione. In seguito quindi alla radiazione luminosa, l'altezza della barriera di potenziale si abbassa e ai capi del fotodiodo appare una tensione esattamente uguale all'abbassamento subito dalla barriera di potenziale (f.e.m. fotovoltaica). Una cella fotovoltaica si ottiene ponendo direttamente in serie una R ai capi di un fotodiodo; estrapolando I e V dalla retta di carico si può calcolare la potenza e determinare il valore ottimale di R in modo da ottenere la potenza massima in uscita per una data illuminazione. FOTOTRANSISTOR I fototransistor hanno la stessa funzione dei fotodiodi ma presentano una sensibilità più elevata. A parità di illuminazione si può ottenere una corrente 100 volte più elevata di quella di un fotodiodo. Trovano quindi larga applicazione dove devono essere rilevate variazioni di intensità luminosa assai piccole. Si presentano come transistor incapsulati in contenitori provvisti di una lente che permetta alla radiazione incidente di agire sulla giunzione collettore-base. Per ottenere la massima sensibilità è necessario infatti che l'area illuminata sia vicina alla giunzione. 1 2 La connessione della base è a circuito aperto, cioè la base è fluttuante e il dispositivo si presenta a due terminali. In assenza di radiazione incidente I c = ( +1) I cbo Quando la giunzione base-collettore viene illuminata, si generano coppie elettrone-lacuna che contribuiscono ad una fotocorrente di portatori minoritari che si aggiunge alla precedente I cbo. I c = ( +1) (I cbo + I L ) Quindi la fotocorrente del diodo viene amplificata del guadagno h FE del fototransistor. In alcune applicazioni la base non viene lasciata aperta, ma fra base ed emettitore viene connesso un resistore di valore piuttosto grande; questo produce una migliore stabilità termica e migliora il rapporto luce-buio.

8 FOTOACCOPPIATORE La combinazione in uno stesso contenitore di un fotoemettitore (di solito diodo LED) e di un fotorivelatore ha permesso la realizzazione dei fotoaccoppiatori. La sorgente di luce è generalmente un diodo LED e il fotorivelatore può essere un fotodiodo, un fototransistor, un fotodarlington. Ovviamente le caratteristiche spettrali dell'elemento fotoemittente devono essere uguali a quelle dell'elemento fotoricevente, in modo da avere la massima efficienza e sensibilità. La principale funzione circuitale di un opto isolatore è quella di disaccoppiare un segnale in ingresso rispetto a quello che deve elaborarlo e viceversa. Il parametro che permette di valutare la capacità di isolamento dell'optoisolatore è la tensione di isolamento. In figura è rappresentato un fotoaccoppiatore che vede un diodo LED e un fotodiodo realizzati su due chip diversi ma agglomerati in uno stesso contenitore; si presenta come un quadripolo con un elevato grado di isolamento elettrico tra circuito di ingresso e di uscita, garantito dalla presenza del vetro. Il vetro permette anche alla luce di essere assorbita dal fotorivelatore. I fotoaccoppiatori a fototiristori sono formati da un diodo emittente a infrarossi e da un tiristore sensibile alla radiazione luminosa. Il fototriac in condizioni di buio è spento. In stato ON può essere percorso da basse correnti, per cui in genere viene utilizzato per pilotare gate di TRIAC che hanno prestazioni superiori (relè a stato solido).