CUPRINS 1.Argument 1.Capitolul -Generalitati -Clasificari -Jonctiunea P.N 2.Capitolul 2 -Fotodioda -Dioda electro-lum electro-luminescenta inescenta -Foto-tranzistorul -Foto-cuplorul 3.Capitolul 3 -Norme de protectia muncii 4.Bibliografie
1.Argument
Prin dispozitive optoelectronice se inteleg acele dispozitive electronice la care semnalul de intrare sau de iesire este radiatia optica. Spectrul radiatiei optice este cuprins intre 5nm si 1mm. Spectrul se imparte astfel: - domeniul de radiatie ultraviolet: (5nm,400nm); - domeniul vizibil: (400nm ,760nm); domeniul infrarosu: (760nm,1mm). Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza functionarii dispozitivelor optoelectronice sint absorbtia radiatiei electromagnetice in corpul solid si recombinarea radiativa a purtatorilor de sarcina in semiconductoare. Fenomenul de creare de purtatori liberi de sarcina sub actiunea radiatiei electromagnetice se numeste EFECT FOTOELECTRIC. Daca electronii ,care au absorbit radiatia electromagnetica ,sint extrasi din interiorul corpului solid,fenomenul poarta denumirea de efect fotoelectric extern ; acesti electroni pot participa la fenomene de conductie in vid sau gaze. Daca electronii sint doar desprinsi de atomul de origine , devenind purtatori liberi in interiorul retelei, fenomenul poarta denumirea de efect fotoelectric intern; acest fenomen este specific numai semiconductoarelor , deoarece la metale exista un mare numar de purtatori liberi ,chiar in absenta radiatiei electromagnetice.
Capitolul 1 (Generalitati. Clasificare.Jonctiunea P.N) În general purtătorii apar într -un semiconductor datorită excitării electronilor din banda de valenţă sau de pe nivelele donoare şi deplasarea
acestora în banda de conducţie. Dacă semiconductorul este iluminat apar purtătorii de sarcină suplimentari cu energie mai mare (purtători liberi). Deci iluminând un semiconductor concentraţia purtătorilor liberi devine n= n0 + ∆n p= p0 + ∆p unde n0 ,p0
sunt concentraţiile de echilibru ale electronilor şi golurilor,
iar p ∆n,∆ sunt concentraţiile electronilor şi golurilor apărute ce urmare a injecţiei optice. Dispozitivele optoelectronice se împart în: dispozitive fotodetectoare,
dispozitive fotoemiţătoare şi modulatoare optoelectronice. Funcţionarea dispozitivelor fotodetectoare se bazează pe absorţia radiaţiei electromagnetice în corpul solid şi generarea de purtători de sarcină prin efect fotoelectric. Efectul fotoelectric poate fi extern când purtătorii părăsesc materialul şi intern când purtătorii se eliberează din reţeaua cristalină. Joncţiunea pn este regiunea din vecinătatea suprafeţei de contact dintre două semiconductoare cu tip de conducţie diferit, una de tip p şi alta de tip n. Linia de demarcaţie dintre cele două regiuni se numeşte joncţiune metalurgică. Procesele fizice care stau la baza funcţionării dispozitivelor
optoelectronice
sunt generarea şi recombinarea purtătorilor mobili de
sarcină. Există două clase mari de dispozitive optoelectronice: a) Dispozitive care transformă energia radiaţiei luminoase în semnale electrice-
acestea au ca scop fie măsurarea fluxului luminos
sau transmisia de informaţie, caz în care este vorba de fotodetectoare fie conversia energiei luminoase în energie electrică, caz în care sunt celule fotovoltaice. b) Dispozitive care
transformă energia electrică în energie
luminoasă – cazul diodelor electroluminescente şi al laserilor cu joncţiuni semiconductoare.
Capitolul 2 2.1 Fotodioda Fotodioda este un dispozitiv optoelectonic constituit dintr-o jonctiune pn fotosensibila sau un contact metal semiconductor fotosensibil,utilizate totdeauna în regim de polarizare inversa, deoarece în acest regim se poate fructifica în conditii optime influenta fluxului luminos asupra curentului prin dispozitiv. CONSTRUCTIE Constructia fotodiodei asigura ca partea cea mai mare a fotonilor radiatiei incidente sa patrunda pâna în regiunea jonctiunii p-n, unde, fiind absorbiti,pot crea perechi de electro-gol care sunt purtatori suplimentari fata de concentratia de echilibru, figura1.Numai fotonii care au energia hv mai mare sau cel putin egala cu largimea Eg a benzii interzise vor fi capabili sa produca saltul electronilor din banda de valenta în cea de conductie adica sa duca la formarea de perechi electron-gol. Capsula fotodiodei prezinta o fanta transparenta, sub forma unei ferestre sau a unei lentile, care
permite
patrunderea
luminii
catre
jonctiunea
pn,figura
2.
În figura se prezinta:a) structura,b) simbolul, c) mod de utilzare si d) caracteristicile statice ale fotodiodei la diferite valori ale
iluminarii
IDENTIFICAREA TERMINALELOR SI VERIFICAREA FOTODIODEI - La fotodiode, terminalul mai lung este Anodul (+), iar terminalul mai scurt este Catodul (-) - La fotodiodele în capsula metalica terminalul de lânga cheita este Anodul (+) - La fotodiodele în capsula de plastic transparent electrodul mai subtire este Anodul (+) Identificarea terminalelor fotodiodei dupa forma capsulei se poate
urmari
în
figura
4
FUNCTIONAREA SI CONECTAREA ÎN CIRCUIT A FOTODIODEI Curentul prin dioda creste proportional cu intensitatea luminii.Când jonctiunea nu este luminata, curentul este aproape neglijabil si se numeste curent de întuneric (ID).In cataloage de fotodiode se indica curentul de scurtcircuit Isc deoarece fotodioda se comporta ca o sursa de curent.La conectarea în circuit, fotodioda se conecteaza întotdeauna în serie cu un rezistor care limiteaza curentul prin fotodioda.
2.2 Dioda electro-luminescenta Dioda electroluminiscentă este foarte des cunoscută cu de numirea de LED ( Light Emitting Diode). Dioda electroluminiscentă (LED - light emitting diode) este o dioda semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a joncțiuni p -n. Semnul convențional al LED- ului este următorul (fig. 1):
Fig.1
Efectul este o formă de electroluminescenţă. Un LED este o sursa de lumina pe o suprafață mica (mai puțin de 1 mm2) adesea cu un sistem optic adăugat pe cip pentru a da o forma radiațieisi a ajuta in reflexie. Culoarea luminii emise depinde de compoziția si condițiile materialului semiconductor folosit, si poate fi infraroșu, vizibil sau ultraviolet. De altfel, in afara luminării, aplicații interesante includ folosirea LED- urilor UV pentru sterilizarea apei si dezinfecția dispozitivelor, si ca o sursa de lumina mai mare pentru a spori fotosinteza plantelor. DENUMIRI ALTERNATIVE ALE DIODELOR ELECTROLUMINISCENTE: Ø LED (Light Emitting Diode);
Ø Diodă fotoluminiscentă; Ø Diodă fotoemisivă
Exemple de LED-uri PARAMETRII SPECIFICI:
(fig.2)
¨ Curentul direct maxim IAm;
¨ Puterea de disipaţie maximă Pdm; ¨ Caracteristica spectrală sau culoarea emisă POLARIZARE: DIRECTĂ
PROPRIETĂŢI - Emite radiaţii luminoase sau infraroşii; - Se polarizează direct; - Este un convertor de energie care transformă energia electrică (primită de la sursa de polarizare) în energie luminoasă ; - Culoarea luminii emise depinde de materialul utilizat pentru joncţiunea pn
2.3 Foto-tranzistorul
La fel ca diodele, toti tranzistorii sunt sensibili la radiatie luminoasa. Fototranzistorii sunt facuti special pentru a profita de acest avantaj. Cea mai comuna varianta este tranzistorul bipolar NPN cu baza expusa. Aici, lumina incidenta bazei inlocuieste ceea ce in mod normal ar fi fost curentul aplicat bazei, deci un fototranzistor amplifica variatiile de lumina incidenta. Fototranzistorii pot avea sau nu o baza conducatoare (daca au baza, prin aceasta se regleaza sensibilitatea la lumina).
Fototranzistorii sunt exemple de fotodiode-amplificator combinatii integrate intr-un singur fragment de silicon. Aceasta combinatie este folosita pentru a infrange marele defect al fotodiodelor: transferul uniform. Multe aplicatii necesita un semnal mai puternic de la fotodetector decat cel generat de fotodioda. In timp ce semnalul fotodiodei poate fi amplificat prin utilizarea unui amplificator operational extern sau al altor circuite, aceasta abordare nu este de obicei indeajuns de practicata sau de costisitoare in raport cu utilizarea unor fototranzistori. Fototranzistorul poate fi vazut ca o fotodioda a carei fotocurent de iesire este transmis bazei unui tranzistor de mica putere. Cat timp nu cerem operatia de fotodetectie, o conexiune a bazei este folosita in unele cazuri pentru a deschide jonctiunea sau pentru a calibra fotodetectia. Caracteristici: Costuri scazute pentru fotodetector in vizibil si in apropiere de infrarosu Moderat ca rapiditate a raspunsului Disponibil in mare varietate de modele inclusiv acoperite cu rasina epoxidica, modelate prin transfer, turnate, ermetice si sub forma integrata. Utilizabil cu aproape orice sursa vizibila sau in infrarosu cum este DLI (dioda luminescenta in infrarosu), neoanele, tuburi flourescente, lampi cu incandescenta, lasere, surse de scanteie, lumina soarelui etc. Are aceleasi caracteristici generale electrice ca tranzistorii de semnal similari. Principiul de functionare: Fototranzistorii sunt fotodetectori in stare solida care poseda declansare interna. Ei pot fi folositi pentru a genera semnal analog sau digital.
2.4 Foto-cuplorul În electronică, un optoizolator, de asemenea numit și optocuplor, fotocuplor, sau izolator optic, este o componentă care transferă un semnal electric între două circuite izolate prin utilizarea luminii. Optoizolatoarele împiedică ten siunile înalte să afecteze sistemul care primește semnalul. Optoizolatoarele disponibile comercial, rezistă la tensiuni intrare/ieșire de până la 10kV și la șocuri de tensiune cu viteze de până la 10kV/μs. Un tip comun de optoizolator constă dintr un LED și un fototranzistor în aceeași capsulă. Optoizolatoarele sunt de obicei utilizate pentru transmiterea semnalelor digitale (discrete, on/off), dar unele
tehnici permit utilizarea lor pentru semnale analogice (proporționale).
Diagrama schematică a unui optoizolator arătând sursa de lumină (LED -ul) în stânga, bariera dielectrică în centru, și senzorul (fototranzistorul) în dreapta Ca funcție tehnologică, optoizolatoarele realizează o izolare galvanică între două circuite (intrare și ieșire), fiind astfel o continuare a tehnologiei de izolare inductivă, realizată cu ajutorul transformatoarelor electrice. Fotorezistoarele bazate pe optoizolatoare au fost introduse în 1968. Ele sunt cele
mai lente, dar de asemenea cele mai liniar izolatoare și încă mai păstrează o nișă de piață în industria audio și muzicală. Comercializare tehnologiei LED în anii 1968-1970 a provocat un boom în
optoelectronică, și până la sfârșitul anilor '70 indust ria a dezvoltat principalele tipuri de optoizolatoare. Majoritatea optoizolatoarele prezente pe piață utilizează ca senzori fototranzistori bipolari pe bază de siliciu. Ele ating viteze de transfer a datelor de viteză medii, suficiente pentru aplicații ca electroencefalograful, de exemplu. Cele mai rapide optoizolatoare utilizează diodele PIN în modul fotoconductiv.
Un optoizolator conține o sursă de lumină, aproape întotdeauna un LED, care convertește semnalul electric de intrare în lumină, un canal optic închis (de asemenea numit canal dielectric), și un fotosenzor, care detectează lumina părții de
intrare și care, fie generează energie electrică direct, sau modulează un curent electric continuu care provine de la o sursă de alimentare externă. Senzorul optic poate să fie un fotorezistor, o fotodiodă, un foto tranzistor , un redresor de siliciu controlat (SCR) sau un triac. Deoarece LED- ul poate simți lumina pe lângă faptul că o emite, construcția simetrică, bidirecțională a optoizolatoarelor este posibilă. Un optocuplor (de tip) releu conține o fotodiodă optoizolatoare care conduce la un comutator de putere, de obicei o pereche complementară de MOSFET -uri (tranzistori). Un comutator optic cu perforații conține o sursă de lumină și un senzor, dar canalul său optic este deschis spre perforații, care permit trecerea și modularea luminii de către obiecte externe ce pot obstrucționa calea acesteia sau o pot reflecta spre senzorul optic.
3.Capitolul 3 3.1 Norme de protectia muncii
1. Nu se efectueaza miscari bruste cu sau fara aparatura din dotare in laborator. 2. Aparatura se utilizeaza doar in parametri normali si nu se va incerca fortarea acesteia in vederea obtinerii unor rezultate mai bune. 3. Efectuarea montajelor la mesele de lucru nu se va incepe decat cu intreruptoarele de alimentare inchise. 4. Pentru a evita deteriorarea consumatorilor alesi si a accidentele cauzate de acestea, se va urmari ca tensiunea de alimentare sa corespunda cu tensiunea nominala a consumatorilor. 5. Dupa inceperea lucrarii la montajul aflat sub tensiune se interzice atingerea cu mana a partilor neizolate. 6. Se vor lega la pamant toate partile metalice ale instalatiei utilizate.
7. Nu se va incerca niciun fel de operatiune de modificare/reparare a aparaturii. Orice defectiune se sesizeaza laborantului. 8. La aparitia oricarui defect pe durata efectuarii unui montaj, se anunta imediat laborantul. 9. Sub nicio forma nu se va atinge partea metalica a letconului, chiar daca acesta este oprit - exista posibilitatea sa fie inca fierbinte. 10. Nu se scutura letconul in jurul altor persoane. 11. Este interzisa atingerea simultana cu ambele maini a partilor metalice aflate sub tensiune. 12. Nu se va sta cu ochii in fumul degajat la lipire - pericol de orbire. 13. Intre doua lipituri cu letconul, acesta va fi plasat in suportul special destinat pentru el (nu se lasa pe masa sau pe alte materiale - pericol de topire) 14. Orice modificare a montajului se va face dupa scoaterea lui de sub tensiune. 15. Deconectarea consumatorilor aflati in sarcina se va face numai de la sursa de alimentare. 16. In cazul in care in montajul lucrarii sunt incluse condesatoare, este interzis a se atinge chiar si dupa scoaterea lor de sub tensiune,deoarece condesatoarele continua sa ramana incarcate.De aceea dupa terminarea lucrarii, condesatoarele se vor descarca scurtcircuitand terminalele prin atingerea cu un conductor metalic.Operatia se va repeta de 2-3 ori pana la descarcarea completa. 17. La sfarsitul lucrarii toata aparatura trebuie inchisa. 18. La terminarea lucrarii nu se va incepe desfacerea montajului decat dupa ce se vor opri intrerupatoarele de alimentare astfel incat nicio borna a aparatului si niciun conductor care face parte din montaj sa nu se afle sub tensiune.
4. Bibliografie 1. Dumitru D.Sandu, “Dispozitive şi circuite electronice”, Editura Did.şi Ped.,Bucureşti, 1975 2. E.,Simion, C.,Miron, Lelia Feştilă, „Montaje electronice cu circuite analogice”, Ed.Dacia Cluj, 1986 3. Fl.M.Tufescu ,"Dispozitive şi circuite electronice" partea I, Edit.Univ.Al.I.Cuza" Iaşi 2002 4. I.Spânulescu, „Dispozitive semiconductoare şi circuite integrate analogice” , Ed. Victor, 1998 5. D.Dascălu, ş.a. “Dispozitive şi circuite electronice” Ed.Did şi Ped. Bucureşti 1982. 6. Horia Cârstea, Mihai Georgescu, “Circuite electronice în tehnologie hibridă”, Ed.Facla, 1989 7. I.,Sabin,R.,Munteanu, „ Introducere în electronică” , Ed.de Vest Timişoara,1994 8. Nicolae N.Gherbanovschi, Ovidiu Sorin Stoican, “Electronică Fizică şi aplicaţii”, Ed.Academiei Române, Bucureşti 1994 9. Ed.,Nicolau,coord. Radiotehnica vol II , Ed Tehnică Bucureşti, 1988 10. Gh.,Constantinescu, coord. , „Circuite integrate CMOS”, Ed.Tehnică, Bucureşti 1986. 11. P.,Constantin, ş.a., Electronică industrială, Ed.Did.şi Ped. Bucureşti ,1983
