2018 Predavanje 13. II semestar (2+2+0) Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337

Transcription

1 2018 Predavanje 13 II semestar (2+2+0) Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337

2 5/29/2018 Elektronske komponente - Pasivne komponente 2

3 Fotootpornik (svetlosna karakteristika, spektralna karakteristika) Princip rada fotodiode i fototranzistora LED Optokapler simbol, uloga

4 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 E a odgovarajućeg prelaza: hf E a (5.1) gde je h = 6, Js Plankova konstanta, a f učestanost elektromagnetnog zračenja (svetlosti).

5 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.

6 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.

7 Absorpcija i emisija svetlosti

8 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

9

10 Konstruktivni izgled fotootpornika: a pločica od steatita; b fotoosetljivi otporni sloj (CdS); c elektrode za kontakt (ovde su u obliku češlja); d providno kućište od epoksidne smole; e izvodi.

11 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

12 Osnovne karakteristike fotootpornika: 2. Promena otpornosti sa osvetljajem meri se pri različitom osvetljenju otpornika svetlošću složenog spektralnog sastava

13 Osnovne karakteristike fotootpornika: 3. Svetlosna karakteristika predstavlja zavisnost fotostruje I F od osvetljenosti E, pri konstantnom naponu I F A E A konstanta koja zavisi od tipa fotootpornika konstanta koja zavisi od talasne dužine svetlosti i tipa fotootpornika E osvetljenost.

14 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

15 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.

16

17 Koncentracija generisanih nosilaca proporcionalna svetlosnom fluksu koji je pao na aktivnu površinu diode (n i p pa je povećanje inverzne struje proporcionalno svetlosnom fluksu I K K - osetljivost fotodiode

18 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-n spoja, 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.

19

20 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 V 0 da bi potekla i difuziona struja, odnosno da bi ukupna struja bila jednaka nuli.

21 ekvivalentna šema fotogeneratora idealnoj diodi, kroz koju protiče difuziona struja usled promene barijere, na red je vezana otpornost R s, a paralelno otpornost R p i strujni generator fotoelektrične struje I. Za razliku od redne otpornosti, paralelna otpornost R p se uglavnom može zanemariti

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

23 fotostruja I se deli na jednu kroz otpornost potrošača R p to je spoljašnja struja I i drugu I 1 to je difuziona struja kroz diodu Režim rada fotogeneratora se bira tako da korisna snaga bude najveća Korisna snaga je: P K UI R p se bira tako da osenčena površina na bude maksimalna.

24 Elementi PV sistema a) PV panel b) kontrolni panel c) power storage sistem d) invertor DC/AC e) backup power supplies (diesel startup generators)

25 Tipovi PV sistema Direktno povezan PV sistem (dole) Stand-alone PV sistem (desno gore) Hibridni PV sistem (desno dole)

26 Full summer sunlight = 1000W/m-2

27 PV ćelija, molul, panel,...

28 Tipovi solarnih ćelija Monokristalne Si solarne ćelije

29 Tipovi solarnih ćelija Polikristalni solarni panel

30 a-si solarni panel Tipovi solarnih ćelija

31

32 World cell/module production, consumer and commercial, (MW). Source: PV News, Vol. 22, No. 3, 2003

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

34

35

36 Solarni sistemi za grejanje

37 3. januar 2004.

38 3. februar 2004.

39 3. mart 2004.

40 3. april 2004.

41 28. april 2004.

42

43 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 I C = I Fototranzistor je puta osetljiviji od fotodiode koja ima istu efektivnu površinu

44

45 FOTOLUMINISCENTNE DIODE (LED) LED (Light-Emitting Diode) svetleća dioda, vrši obrnuti proces: električnu energiju, odnosno električni signal pretvara u svetlosnu energiju

46 osnovni princip na kome se zasniva rad svetlećih dioda elektron u valentnoj zoni ima manju energiju od elektrona u provodnoj zoni za veličinu širine zabranjene zone E g 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 = E g.

47 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, raste intenzitet rekombinacije, i dolazi do svetlosnog zračenje spontana emisija Ukoliko je struja veća, a to je direktna struja diode I F, biće veća i jačina svetlosti

48 Način povezivanja LED

49 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-arsenidfosfid (GaAsP) zrači vidljivu crvenu svetlost, dok se LED od galijum-arsenida (GaAs) koristi za infracrveno (nevidljivo) područje spektra

50 Spektralne karakteristike LED u vidljivom delu spektra

51 Spektralna karakteristika LED za infracrveno područje

52

53 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

54 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 of Radiation 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).

55

56 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

57 Osnovne primene plouprovodničkih lasera 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

58 INTEGRISANA KOLA 5/29/2018 Elektronske komponente - Pasivne komponente 58

59 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.

60 Integrisano kolo sa osnovnim sastavnim delovima

61 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).

62 Analogna IC Digitalna IC

63 Vrste integracije Otkriće tranzistora integrisana kola!! Automobilska industirja ista brzina razvoja: 1 litar benzina/ km Brzina > km/h Cena nekoliko eura Težina oko 100 g Vreme eksploatacije godina Stepen integracije: broj tranzistora po jedinici površine

64

65 SSI (Small Scale Integration) kola malog stepena integracije, do 100 elemenata; MSI (Medium Scale Integration) kola srednjeg stepena integracije, 100 do 1000 elememata;

66 LSI (od Large Scale Integration) kola visokog stepena integracije ( elemenata) VLSI (od Very Large Scale Integration) kola vrlo visokog stepena integracije ( tranzistora)

67 ULSI (od Ultra Large Scale Integration) kola izuzetno visokog stepena integracije sa preko milion tranzistora po integrisanom kolu ili čipu;

68 U 2 LSI 3 (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 mm 2 ).

69 Velika disipacija (napon napajanja 0,8V za snagu od 80W struja je 100A) Neophodno je hlađenje!!!

70 Vrste integrisanih kola podloga

71 Vrste integrisanih kola tehnologija

72 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

73

74

75 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)

76

77 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.

78 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

79

80

81