Dispositivos Optoelectr

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Dispositivos Optoelectrónicos
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Tipos

• Fotodetectores
• Detectan cambios de energía fotónica,
  transformándolos en energía eléctrica
• Celdas solares
• Transforman energía lumínica en eléctrica
• LED / Diodos Laser
• Transforman energía eléctrica en energía lumínica
• Optoacopladores

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(No Transcript)
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4.2x1014 Hz
6x1014 Hz
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(No Transcript)
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Fotodiodos p-n

• Juntura p-n que permite penetración de luz en la
  vecindad de la unión metalúrgica
• Absorción de luz crea pares hueco-electrón

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Fotodiodos p-n

• Portadores generados en la zona de vaciamiento
  son arrastrados por el E.
• Tasa de Generación óptica GL
• Si W menor que la long. Del diodo, IL es
  independiente de la tensión aplicada y
  proporcional a la intensidad de luz

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Respuesta espectral

• Variación de IL con la longitud de onda de luz
  incidente

Fotones generan pares h-e solo si EphgtEG. Para
Si, EG 1.12 eV, y ?max1.1µm
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Respuesta espectral

• Variación de IL con la longitud de onda de luz
  incidente

1. Potencia lumínica es cte. Por ende, hay menos
   fotones de mayor energía (lt?)
2. A menor ? la luz penetra menos, y la generación
   se produce lejos de la zona de vaciamiento se
   recombinan antes de llegar allí. Menor I

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Fotodiodos p-n

• Respuesta Frecuencial
• Velocidad de respuesta ante cambios de la luz
  incidente
• Fotodiodo p-n tiene capacidades limitadas
• Portadores minoritarios deben difundir hasta la
  zona de vaciamiento proceso lento
• Máxima velocidad decenas de Mhz

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Fotodiodo p-i-n

• Top semiconductor thin, to minimize absorption
• i region is depleted
• Most of the photocurrent is generated in the
  depletion region

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Fotodiodo p-i-n

• i region can be tailored for specific wavelengths
• Frequency response is much better than Si diodes
  (most current is generated in the dep. Region)
• Freq. response about GHz
• Aplicaciones en fibra óptica requieren ? gt 1.1µm,
  y menores bandgap (In Ga As)

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Fotodiodos de Avalancha

• Fotodiodos operados cerca del punto de ruptura
  inversa
• Ganancia en la generación de portadores
• Multiplicación de avalancha amplifica los
  portadores provocados por la luz

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Fotodiodos

• Factores Importantes
• Velocidad de respuesta
• Eficiencia cuántica
• relación entre fotones y pares h-e
• Linealidad
• Uniformidad espacial
• Ruido oscuro (dark noise)

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• Hamamatsu model S2386 silicon photodiode

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(No Transcript)
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Toshiba TPS850
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Celdas Solares
Honda dream, the winning car in the 1996 World
Solar Challenge. The custom made cells for the
car are greater than 20 efficient. (Photograph
PVSRC)
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Celdas Solares

• Junturas p-n de gran area
• Design to minimize energy losses
• Voc open circuit voltage
• Isc short circuit current
• Pmax Im Vm

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Celdas solares

• Medida de desempeño
• eficiencia de conversión
• Output from the sun
• Area beyond ?G is power lost cause it cannot be
  absorbed
• 20 lost in Si, 35 in GaAs
• The EphgtEg energy adds kinetic energy (heat)
• 40 in Si, 30 in GaAs

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Celdas Solares
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Celdas Solares

• Top contact coverage of the cell surface can be
  minimised (although this may result in increased
  series resistance).
• Anti-reflection coatings on the top surface of
  the cell.
• Reflection reduced by surface texturing.
• The solar cell can be made thicker to increase
  absorption
• The optical path length may be increased by a
  combination of surface texturing and light
  trapping.

http//www.udel.edu/igert/pvcdrom/index.html
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Celdas Solares
Area 22cm2Efficiency 23.5Voc 703 mVIsc
914mAJsc 41.3mAVmp 600mVFF 0.81Imp 868 mA
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Light Emitting Diode (LED)

• Definition a semiconductor device that emits
  incoherent narrow-spectrum light when
  electrically biased in the forward direction

Courtesy of Wikipedia http//en.wikipedia.org/wiki
/LED
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Principle

• Forward bias injects majority carriers in
  opposite regions where they recombine
• In indirect semiconductor (Si) recombination
  produces heat
• In direct semiconductors (GaAs) recombination
  occurs from band to band and emits photons

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Principle

• Three requirements to produce visible LED
• Direct semiconductor (Si, Ge, GaP, AlAs,SiC,
  excluded)
• Bandgap between 1.77eV and 3.10eV (GaAs bandgap
  too small)
• Able to allow pn junction diodes
• Need for alloys

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LEDs
? Photo power out/electrical power
External quantum efficiency is due to
reflections in the Interface air-semiconductor
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Light Emitting Diode (LED)

• LED v.s. Incandescent (Edisons lightbulb) and
  Flourescent Bulbs
• Much longer life span (105 - 106 hrs v.s. 103 /
  104 hrs)
• Suitable for applications that are subject to
  frequent on-off cycling
• Efficiency better than incandescent but
  currently worse than flourescent bulbs

Source US Department of Energy
http//www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm
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LEDs for lighting

• 12 Volt MR16 LED spotlight bulbs
• Each LED spotlight has 20 ultrabright 15,000mcd
  LEDs producing a similar amount of light to a 20W
  halogen bulb
• 1 Watt of power!

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LED Efficiency

• Internal Quantum Efficiency (?int)
• Definition ratio of the number of electrons
  flowing in the external circuit to the number of
  photons produced within the device
• Has been improved up to 80
• External Quantum Efficiency
• Definition The percentage of photons that can be
  extracted to the ambient.
• Typically 1 10
• Limiting factor of LED efficiency
• Improvement techniques dome-shaped package,
  textured surface, photonic crystal,

Source Lecture Note of Optoelectronic Devices
(by Sheng-fu Horng, Dept. of Electrical Engrg,
NTHU, Hsinchu, Taiwan)
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LED
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Optoacopladores

• Aislación eléctrica entre dos circuitos.
  Comunicación óptica
• Típicamente se utilizan haces de luz entre el
  rojo al infrarrojo

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• Características importantes
• Tensión de aislación
• Buena relación de transferencia
• Baja capacidad de acoplamiento
• Imnunidad a interferencias

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Referencias

• Robert F. Pierret, Semiconductor Device
  Fundamentals, Addison Wesley, 1996. Capítulos 6,
  9, 14.
• Stanley G. Burns, Paul R. Bond, Principles of
  Electronic Circuits, PWS Publishing Company,
  1997. Capítulo 3.