Tema 6: DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

Tema 6: DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS 6.1 Interacción entre los semiconductores y la luz. 

Absorción de luz con generación luminosa de pares electrón‐hueco. Generación de luz por  recombinación radiativa de pares electrón‐hueco.

6.2 Fotorresistencias.

Modulación de la conductividad del semiconductor. 

6.3 Fotodiodos. 

Circuito equivalente y aplicaciones.

6.4 Diodos emisores de luz. 

Emisión espontánea y estimulada. Diodos LED y láser. 

6.5 La célula solar. 

Circuito equivalente y  parámetros de calidad. Descripción del estado del arte. 

Introducción a las células avanzadas por división espectral Introducción a las células avanzadas por división espectral.

6.6 El fototransistor.  

Circuito equivalente y aplicaciones Circuito equivalente y aplicaciones.

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Semiconductores

≈5Å 

(≈10

átomos/cm

)

Sólidos cristalinos de enlace covalente

Red silicio

)

Banda de conducción

E _G E

Banda de energía prohibida

E

Banda de valencia prohibida

Modelo de enlaces Modelo de bandas

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Interacción de la luz con los semiconductores

E G

h

E = ν ≥ Se libera una energía E

en

forma de calor o por emisión de un fotón de energía E

En un trozo de semiconductor homogéneo iluminado generación = recombinación. La conductividad aumenta → fotorresistencia.

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Radiación

IRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m

) ESPECTRO:

POTENCIA LUMINOSA P

(W

)

600

g (W·m

·eV

)

4.5E+21

N

(fotones·s

·m

·eV

) ESPECTRO:

400 500

2 5E+21 3.0E+21 3.5E+21 4.0E+21

Sol

LED

Sol

200 300

1.0E+21 1.5E+21 2.0E+21 2.5E+21

LED

0 100

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV)

0.0E+00 5.0E+20

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV) ENERGÍA DEL FOTÓN E = h ν = hc /λ

E (eV) ( )

fotón del

energía fotones

de

Nº ×

=

P energía del fotón

tiempo ×

L

= P

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Optoelectrónica

Dispositivos optoelectrónicos: aprovechan la interacción entre radiación luminosa y corriente eléctrica en materiales semiconductores

Potencia luminosa

Detección luminosa Señalización

Captación Emisión

Detección

Fotorresistencia Fotodiodo

Señalización Diodo LED

Potencia eléctrica

Generación Célula solar

Transmisión

Diodo LED, LASER

E

L

E

L E

Luz,

E

Luz,

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Fotorresistencias (LDR)

G A

R R

G

A × ⇒ = + ×

+

= σ _{0 1} ^{− 1} ₀ ^{− 1} ₂ σ

Cambio de la conductividad de un semiconductor

2 0

1 0

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El fotodiodo

Diodo de unión pn iluminado. La no homogeneidad y los contactos metálicos

i l ió d l n p

metal metal

permiten la separación de electrones y huecos y su circulación por un circuito externo.

n p

i +

i

= 0

i _OSC i _L

v

i

i

v

i

_

V i I v

i

−

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡ ⎟⎟ ⎠ −

⎜⎜ ⎞

⎝

= exp ⎛ 1

Región de trabajo habitual de fotodiodos

G S A i

V

L

t

×

×

=

⎥⎦

⎢⎣ ⎝ ⎠

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El fotodiodo

SiO

p

G

Contactos

metálicos n

p

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Fotodiodos comerciales

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Análisis de circuitos con fotodiodos

Ejercicio 1. El circuito de la figura es un circuito detector de luz, habitualmente primera etapa en aplicaciones de comunicaciones ópticas. Se pide:

a) Rango de valores de R para que el diodo esté en OFF con p _L =5 mW b) Para R=1 kW , varacterística de transferencia v _O (p _L )

c) Ganancia de pequeña señal v _o /p _l si p _L (t)=P _L +p _l (t), con P _L =5 mW DATOS:V _DD =5 V; V _g =0,6 V; |V _Z |=4 V; S=0,5 A/W

V

v

V

p

v

R

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Ejemplo de aplicación con fotodiodos

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Emisión de luz

E

h ν

E

h

h ν

E

h ν

E

h ν

h ν

Espontánea

LED Estimulada

LASER

Diodo Electroluminiscente - LED: Light Emitting Diode

Diodo láser - LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

1

V

0,8 0,6 0,4 0 2

555600 700 500

400

λ (ηm)

0,2 0

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Diodo LED

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡ ⎟⎟ −

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

=

exp ⎛

1

LED

nV

I v

+ i ⎢⎣ ⎝ nV

⎠ ⎥⎦

i _LED v _LED

p _E

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ = ×

≡

η

LED

E i

Bi p

_ = = < 1

⎟ ⎠

⎜ ⎝

η η

η

LED G LED

LED LED energética

LED LED

LED

qv E v

i p p q

P _LED (mW)

LED LED

LED

q

n

p ¹⁵

10

substrato ₅

0

B

0 _{100 300 500}

i _LED (mA)

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Algunas características

Estructuras optimizadas:

p

LED semiesférico n

LED de emisión lateral LED semiesférico LED de emisión lateral

LED encapsulado

Semiconductores III-V GaAs ≈ 1,4 eV Infrarrojo

GaP ≈ 2 3 eV Visible (verde) GaP ≈ 2,3 eV Visible (verde) GaAs _1-x P _x → Variable

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LEDs comerciales encapsulados

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Análisis de circuitos con diodos LED

Ejercicio 2. Diseñe el optoacoplador de la figura de forma que una señal de entrada v

= 0-5 V se reproduzca a la salida, siendo la corriente que pasa por el LED cuando emite de 10 mA.

DATOS V 2 V B 0 2 W/A V 0 6 V S 0 5 A/W V 10 V R l ió d

DATOS: V

= 2 V; B

= 0.2 W/A; V

= 0,6 V; S

=0.5 A/W; V

= 10 V; Relación de transferencia p

/p

= 1.

R

FD V

v

LED FD

v

R

#

#

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Ejemplo de aplicación con LEDs

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Diodos láser

LED en una cavidad: se amplifican los modos resonantes

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La energía solar

IRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m p p (

) (≅1 kW·m ) (

un día despejado a mediodía)

g (W·m

·eV

) N

(fotones·s

·m

·eV

)

ESPECTRO:

500 600

g ( )

3.5E+21 4.0E+21 4.5E+21

fot

( )

300 400

1 5E+21 2.0E+21 2.5E+21 3.0E+21

0 100 200

0.0E+00 5.0E+20 1.0E+21 1.5E+21

ENERGÍA DEL FOTÓN E = h ν

0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV)

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

E (eV)

ALGUNAS CIFRAS:

En promedio, sobre la Tierra, 4 kWh·m

/día. Con 10% de eficiencia…

Consumo de una familia: 50 m

Consumo de una familia: 50 m

Central nuclear o de carbón de 1 GW: 60 km

(7.5 km×7.5 km )

Consumo mundial de energía: menos que el área cubierta por carreteras

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El efecto fotovoltaico y la célula solar

Un trozo de semiconductor homogéneo Un trozo de semiconductor homogéneo iluminado se calienta (Generación = Recombinación).

metal metal

Diodo de unión pn iluminado. La no homogeneidad y los contactos metálicos permiten la separación de electrones y huecos y su circulación por un circuito

n p

huecos y su circulación por un circuito externo.

El efecto fotovoltaico consiste en la conversión directa de energía luminosa en energía eléctrica mediante los procesos que ocurren en el interior de los semiconductores

q

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El efecto fotovoltaico y la célula solar

1. GENERACIÓN. Un electrón adquiere la energía E=h ν >E

de un fotón Ó

TRES PROCESOS:

Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo 2. RECOMBINACIÓN. Un electrón cede la energía E

en forma de calor

3. CORRIENTE EXTERNA. Un electrón cede la energía qV < E

a la carga externa

Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo

Contacto n 3 R (carga)

Contacto p

E _G 1 2 qV<E _G

Contacto p

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La célula solar _I

(1) (2) (3)

( ^{− 1} )

−

=

−

= I _L I _D I _L I _SAT e ^{V V}

I _I

I _L D V

+

R

(1) (2)

(1) (2) (3)

V I

P

_

(1) (2)

Cortocircuito Punto de

máxima potencia

( ^V ) ^I

^I

I = 0 ≡ = P A G

M M

= ×

=

luminosa eléctrica

η

I

I

p

I

( )

( ¹ )

ln 0

+

=

=

≡

=

SAT L

t

OC

I I V

V I

V

V

Circuito abierto

V

V

V

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Células solares industriales

Diodo de gran área con contacto frontal transparente

Célula de Si

100 μm

0.5 μm μ 10 μm 0.2 cm

250 μm

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I (A)

Parámetros de la célula. Condiciones estándar.

I

es proporcional al área y la irradiancia y depende del material y el espectro: sólo contribuyen los fotones

1 kW∙m

, 25 ºC 1 kW∙m

, 50 ºC

3 I (A)

1 kW∙m

, 25 ºC 1 kW m

50 ºC

p y

con E=h ν >E

,

0.7 kW∙m

, 25 ºC

2

2.5 ^1 kW∙m

^, 50 ºC

0.7 kW∙m

, 25 ºC

S P G S A

I

= × × =

×

I

es proporcional al área y depende del material y la temperatura

1 1.5

V

depende del material (<E

/q) y disminuye con la temperatura

V (V) 0.5

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 V (V)

Irradiancia, espectro y temperatura varían: definición de condiciones estándar de medida

C T

G = 1 kW·m

; espectro AM 1.5 ;

= 25 º

Células industriales de silicio: I

A ≅ 0 . 03 A·cm

; V

≅ 0 . 620 V ; η ≅ 16 %

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Ejercicio 1. Una célula solar equivale a un diodo en paralelo con un generador de j q p g corriente I _L . El diodo se representa con un modelo lineal por tramos. En las denominadas “Condiciones estándar de funcionamiento” (T = 25ºC, G=1kW/m ² ), se tiene I _L = 4.5 A, V _{γ γ} = 0.6 V, R _{f f} = 10 mΩ

a) Dibuje la característica I-V de la célula.

b) Señale el punto correspondiente al cortocircuito en la característica ¿Cuál es la corriente de cortocircuito de la célula? ¿En qué estado se encuentra el diodo?

c) Señale el punto correspondiente al circuito abierto en la característica ¿Cuál es el voltaje de circuito abierto de la célula? ¿En qué estado se encuentra el diodo?

d) C l l l t i á i d l él l bti d l

d) Calcule la potencia máxima que puede generar la célula, que se obtiene cuando el diodo trabaja en el límite entre los estados de ON y de OFF, y su eficiencia.

e) Calcule la resistencia de carga que habría que poner en los terminales de la célula para que trabajase entregando la máxima potencia

para que trabajase entregando la máxima potencia.

f) Repita los apartados a-e si la irradiancia es de 0.8 KW/m ² la temperatura de la célula de 50 ºC

DATOS: A = 150 cm ² ; dV _γ /dT= -2 mV/ºC

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El módulo fotovoltaico

Nivel adecuado de V, I y P: asociación de células en serie y paralelo

Protege las células de la intemperie (humedad, fatiga térmica, radiación UV, abrasión)

Aislamiento eléctrico y rigidez estructural

marco de aluminio

vidrio

junta de silicona

encapsulante encapsulante plástico

célula célula

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Ejercicio 2. Un módulo fotovoltaico contiene 72 células como las del ejercicio 1, conectadas en dos series de 36 y éstas a su vez en paralelo.

a) En condiciones estándar, diga cuál es la corriente de cortocircuito, el voltaje de máxima potencia la potencia máxima y la eficiencia del módulo y con qué resistencia de carga se potencia, la potencia máxima y la eficiencia del módulo y con qué resistencia de carga se obtendría. Esboce su característica I-V.

b) El módulo está cargando una batería de tensión V

=14V. Dibuje el circuito, represente la característica I-V de la batería sobre la del módulo y calcule el valor de la corriente y la tensión de éste.

c) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento en c) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento en

condiciones estándar? ¿Cuánta energía?

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Fototransistor ^npn

i

Luz

C i

P

C

i

s P

E

B C

↔

i

E _i E

l

↔

E

Fototransistor

Fototransistor:

i

E

Luz Fototransistor:

Transistor de oscuridad  +

Fuente de corriente

• Un fototransistor es un transistor bipolar bajo iluminación en la unión Base‐Colector y  anulando el terminal de base.

• La unión base colector se comporta como un fotodiodo

• La unión base colector se comporta como un fotodiodo

• El fototransistor equivale a un transistor bipolar en oscuridad con una fuente de  corriente entre Base y Colector

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Fototransistor

Aproximación en activa con las ecuaciones Ebers‐Moll Ejemplo: npn

i _C i _C

B

C

s p

C

i

C

i _C i _C

β _F  i _B i _B

B

s p

s(1+ β _f ) p _L

B i _B

E E

i

E

Dispositivo de dos terminales → 1 ecuación característica: 

i _C =A p _L donde A es una constante A=s (1+ β _f ) , es decir es una fuente de  corriente cuyo valor depende de la potencia luminosa incidente  y p p p p _{L L} .

Se comporta como el fotodiodo en inversa con una  α mayor

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Fototransistor ^pnp

i E

en activa

i

E i

E

P

α P

E

↔

i

C C

i i

α (1+ β _f ) P _l

i

Fototransistor Fototransistor:

T i t d id d +

i _C C

Transistor de  oscuridad + Fuente de corriente

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Aplicación: optoacoplador (también llamado optoaislador)

(Este

I _F

(

empaquetado trae dos

optoacopladores)

Característica de entrada

Característica de salida:

Característica de entrada (Curva I-V del diodo LED)

Corriente del diodo LED como parámetro

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