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 espectralIntroducción a las células avanzadas por división espectral.
6.6 El fototransistor. Circuito equivalente y aplicacionesCircuito equivalente y aplicaciones.
Semiconductores
≈5Å (≈1022átomos/cm3
)
Sólidos cristalinos de enlace covalente
Red silicio
)
Banda de conducción
EGE
Banda de energíaprohibidaE
Banda de valencia
prohibida
Modelo de enlaces Modelo de bandas
Interacción de la luz con los semiconductores
GEhE ≥= ν Se libera una energía EG enforma de calor o por emisiónde un fotón de energía EG
En un trozo de semiconductor homogéneo iluminado generación =recombinación. La conductividad aumenta → fotorresistencia.
Radiación
IRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m-2)ESPECTRO:
POTENCIA LUMINOSA PL (W2)
600
g (W·m-2·eV-1)4.5E+21
Nfot (fotones·s-1·m-2·eV-1)
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 5.0E (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 = hν = hc/λE (eV) ( )
fotóndelenergíafotones de Nº×=P fotóndelenergía
tiempo×=LP
Optoelectrónica
Dispositivos optoelectrónicos: aprovechan la interacción entre radiaciónluminosa y corriente eléctrica en materiales semiconductores
Potencia luminosaDetección Señalizaciónluminosa
Captación Emisión
DetecciónFotorresistenciaFotodiodo
SeñalizaciónDiodo LED
Potencia eléctrica
GeneraciónCélula solar
TransmisiónDiodo LED, LASER
ECL
ECL
EV
Luz,
EV
Luz,
Fotorresistencias (LDR)
GARRGA ×+=⇒×+= −−2
10
110σσ
Cambio de la conductividad de un semiconductor
2010
El fotodiodo
Diodo de unión pn iluminado. La nohomogeneidad y los contactos metálicos
i l ió d l pn
metal metal
permiten la separación de electrones yhuecos y su circulación por un circuitoexterno.
pn
i+
iL = 0
iOSCiLv
i
iL1v
iL2
_
iVvIi LSAT −
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= 1exp
Región de trabajo habitual de fotodiodos
GSAi
V
L
t
××=⎥⎦⎢⎣ ⎠⎝
El fotodiodo
SiO2 p
G
Contactosmetálicos n
p
Fotodiodos comerciales
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 pL=5 mWb) Para R=1 kW , varacterística de transferencia vO(pL)c) Ganancia de pequeña señal vo/pl si pL(t)=PL+pl(t), con PL=5 mW
DATOS:VDD=5 V; Vg=0,6 V; |VZ|=4 V; S=0,5 A/W
VDD
vO
VDD
pL
vOR
Ejemplo de aplicación con fotodiodos
Emisión de luz
EC
hν
EC
hhν
EV
hν
EV
hνhν
EspontáneaLED
EstimuladaLASER
Diodo Electroluminiscente - LED: Light Emitting Diode
Diodo láser - LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1
Vλ
0,8
0,6
0,4
0 2
555 700600500400λ (ηm)
0,2
0
Diodo LED
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= 1exp LED
SLED nVvIi+ ⎥⎦⎢⎣ ⎠⎝ tnV
iLED
vLED
pE
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛×=≡ η LED
GLEDLED iEBip
_1<==
⎟⎠
⎜⎝
ηη
η
LED
G
LEDLED
LEDenergética
LEDLEDLED
qvE
vip
qp
PLED (mW)
LEDLEDLED q
n
p 15
10
substrato 5
0
B
0 100 300 500 iLED (mA)
Algunas características
Estructuras optimizadas:
p
LED semiesférico
n
LED de emisión lateralLED semiesférico LED de emisión lateral
LED encapsulado
Semiconductores III-VGaAs ≈ 1,4 eV InfrarrojoGaP ≈ 2 3 eV Visible (verde)GaP ≈ 2,3 eV Visible (verde)GaAs1-xPx → Variable
LEDs comerciales encapsulados
Análisis de circuitos con diodos LEDEjercicio 2. Diseñe el optoacoplador de la figura de forma que una señal de entrada vI = 0-5 V sereproduzca 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 dDATOS: VγLED = 2 V; BLED = 0.2 W/A; VγFD = 0,6 V; SFD=0.5 A/W; VCC = 10 V; Relación detransferencia pFD/pLED = 1.
R1
FD
VCC
vI LEDFD
vO R2
Ejemplo de aplicación con LEDs
Diodos láser
LED en una cavidad: se amplifican losmodos resonantes
La energía solarIRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m-2) (≅1 kW·m-2 un día p p ( ) (despejado a mediodía)
g (W·m-2·eV-1) Nfot (fotones·s-1·m-2·eV-1)ESPECTRO:
500
600
g ( )
3.5E+21
4.0E+21
4.5E+21fot ( )
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 = hν
00.0 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-2/día. Con 10% de eficiencia…
Consumo de una familia: 50 m2Consumo de una familia: 50 mCentral nuclear o de carbón de 1 GW: 60 km2 (7.5 km×7.5 km )Consumo mundial de energía: menos que el área cubierta por carreteras
El efecto fotovoltaico y la célula solar
Un trozo de semiconductor homogéneoUn trozo de semiconductor homogéneoiluminado se calienta (Generación =Recombinación).
metal metalDiodo de unión pn iluminado. La nohomogeneidad y los contactos metálicospermiten la separación de electrones yhuecos y su circulación por un circuito
pn
huecos y su circulación por un circuitoexterno.
El efecto fotovoltaico consiste en la conversión directa deenergía luminosa en energía eléctrica mediante los procesosque ocurren en el interior de los semiconductoresq
El efecto fotovoltaico y la célula solar
1. GENERACIÓN. Un electrón adquiere la energía E=hν>EG 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 EG en forma de calor
3. CORRIENTE EXTERNA. Un electrón cede la energía qV < EG a la carga externa
Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo
Contacto n
3 R (carga)
Contacto p
EG qV<EG1 2
Contacto p
La célula solar I(3)
(1) (2)(3)
( )1−−=−= tVVSATLDL eIIIII IDIL V
+
R(1) (2)(1) (2)(3)
VIP MMeléctrica
_(1) (2)
CortocircuitoPunto de
máxima potencia
( ) LSC IIVI =≡= 0GAPMM
×==
luminosa
eléctricaη
ISCIM
p
I
( )( )1ln0
+==≡=
SATLt
OC
IIVVIV
V
Circuito abierto
VM
VOC
V
Células solares industriales
Diodo de gran área con contacto frontal transparente
Célula de Si100 μm
0.5 μmμ
10 μm0.2 cm
250 μm
I (A)Parámetros de la célula. Condiciones estándar.
IL es proporcional al área y lairradiancia y depende del material y elespectro: sólo contribuyen los fotones
1 kW∙m‐2, 25 ºC
1 kW∙m‐2, 50 ºC
3
I (A)
1 kW∙m‐2, 25 ºC1 kW m‐2 50 ºCp y
con E=hν>EG
,
0.7 kW∙m‐2, 25 ºC2
2.5 1 kW∙m 2, 50 ºC
0.7 kW∙m‐2, 25 ºCSPGSAI LL ×=××=
ISAT es proporcional al área y dependedel material y la temperatura
1
1.5
VOC depende del material (<EG/q) ydisminuye con la temperatura
V (V)
0.5
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6V (V)
Irradiancia, espectro y temperatura varían: definición de condiciones estándar de medida
CTG célula º25;1.5 AM espectro;kW·m 1 -2 ==
Células industriales de silicio: %16;V 620.0;A·cm 03.0 -2 ≅≅≅ ηOCL VAI
Ejercicio 1. Una célula solar equivale a un diodo en paralelo con un generador dej q p gcorriente IL. El diodo se representa con un modelo lineal por tramos. En lasdenominadas “Condiciones estándar de funcionamiento” (T = 25ºC, G=1kW/m2), setiene IL = 4.5 A, Vγ = 0.6 V, Rf = 10 mΩγ f
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 ld) 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 potenciapara que trabajase entregando la máxima potencia.f) Repita los apartados a-e si la irradiancia es de 0.8 KW/m2 la temperatura de la
célula de 50 ºC
DATOS: A = 150 cm2; dVγ/dT= -2 mV/ºC
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
encapsulanteencapsulante
plástico
célulacélula
Ejercicio 2. Un módulo fotovoltaico contiene 72 células como las del ejercicio 1, conectadas endos 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 sepotencia, 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 VBAT=14V. Dibuje el circuito, represente lacaracterística I-V de la batería sobre la del módulo y calcule el valor de la corriente y latensión de éste.
c) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento enc) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento encondiciones estándar? ¿Cuánta energía?
Fototransistor npn
i
Luz
CiC
PlC
iC
s Pl
ECB
↔
EiE Ei
l
↔
E
FototransistorFototransistor:
EiE
LuzFototransistor: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
Fototransistor
Aproximación en activa con las ecuaciones Ebers‐MollEjemplo: npn
iCiCB
C
s pLCiC
C
iCiC
βF iBiB
Bs pL
s(1+βf) pLBiB
EEiEE
Dispositivo de dos terminales → 1 ecuación característica:
iC=A pL donde A es una constante A=s (1+βf), es decir es una fuente de corriente cuyo valor depende de la potencia luminosa incidente pL.y p p pLSe comporta como el fotodiodo en inversa con una α mayor
Fototransistor pnp
Ei
en activaEiE
EiE
Pl α Pl E
↔
CiCCi i
α(1+βf) Pl
iC
Fototransistor Fototransistor:T i t d id d +
iCC
Transistor de oscuridad +Fuente de corriente
Aplicación: optoacoplador (también llamado optoaislador)
(Este IF
(empaquetado trae dos optoacopladores)
Característica de entradaCaracterística de salida:
Característica de entrada (Curva I-V del diodo LED)
Corriente del diodo LED como parámetro