Optoelektronické součástky. Elektronika a Mikroelektronika A4B34EM. Absorpce a emise fotonu. Spektrální citlivost. Elektroluminiscenční dioda - LED

Transkript

1 GaN ZnSe GaP:N Opoelekronické součásky Elekronika a Mikroelekronika A4B34EM Elekroluminiscenční dioda či LED Laserová polovodičová dioda Foodioda Fooodpor. přednáška Opoelekronické součásky Operační zesilovač Komparáor A/D a D/A převodníky Absorpce a emise foonu Inerakce záření a hmoy probíhá ěmio mechanismy: Absorpce (záření musí mí vlnovou délku l <.4/W g ) Sponánní emise zářivý přechod emise foonu nezářivý přechod epelná energie Simulovaná emise koherenní záření dochází k zesilování svěla Exciace elekronu Rekombinace elekronu Rekombinace elekronu pomocí simulujícího foonu s Spekrální cilivos Pásma pro opické kabely Maeriály LED pro různé vlnové délky vyzařovaných foonů Elekroluminiscenční dioda LED GaAs.4 p 86 GaAs.3 p 6 GaAs.6 p 4 Relaivní cilivos oka Elekronická polovodičová součáska obsahující přechod PN. Svělo vzniká v oblasi pn přechodu polovodičového maeriálu Procházíli přechodem elekrický proud v propusném směru, přechod vyzařuje (emiuje) nekoherenní svělo s úzkým spekrem. Může emiova i jiné druhy záření. Teno jev je způsoben elekroluminiscencí. 3 4 viole blue green Vlnová délka [nm] yellow orange red

2 LED dioda zapojení LED dioda Konsrukce Plasové pouzdro Emiované svělo Schemaická značka ledky. U = 4, V Schéma zapojení ledky do elekrického obvodu. LED čip LED čip Energie elekronu se uvolní ve formě foonu K přechodu může dojí i prosřednicvím příměsových hladin Emiované záření má o něco nižší energii Anoda Kaoda Výhody LED diody Dlouhá živonos až le Nízké náklady na údržbu Nízká spořeba energie Variabilia v rozlišení a barevnosi Nasavielnos jasu podle svěelných podmínek Dobrá vidielnos i na přímém slunci Různé pozorovací úhly a vzdálenosi Barva Maeriály LED pro různé vlnové délky vyzařovaných foonů Vlnová délka (nm) Srukura LED Infračervená 88 GaAlAs/GaAs Ulra červená 66 GaAlAs/GaAlAs Super červená 633 AlGaInP oranžová 6 GaAsP/GaP žluá 8 GaAsP/GaP Přirozeně bílá 4K (CT) InGaN/SiC Sudená bílá 8K (CT) InGaN/SiC Zelená GaP/GaP Modrá 47 GaN/SiC Fialová 43 GaN/SiC Ulrafialová 39 InGaN/SiC Maeriál ZnS ZnO Gan ZnSe CdS ZnTe GaSe CdSe CdTe Maeriály LED pro různé vlnové délky vyzařovaných foonů Vlnová délka (µm) Maeriál GaAs InP GaSb InAs Te PbS InSb PbTe PbSe Vlnová délka (µm) Vhodné pro malé vybuzení LED cca ma Příklad prakických zapojení s Posílení proudového buzení pomocí PNP ranzisoru, kerý pracuje jako sledovač Dioda je napájena z vyššího napěí než je napěí log. hradla

3 Organické LED OLED OLED (zkraka anglického Organic lighemiing diode) je yp využívající echnologii organických elekroluminiscenčních diod. Mezi průhlednou anodou a kovovou kaodou je několik vrsev organické láky. Jsou o vrsvy vypuzující díry, přenášející díry, vyzařovací vrsva a vrsva přenášející elekrony. Kaoda ( ),. Emisivní vrsva, 3. Emise foonů, 4. Vodivá vrsva,. Anoda () Laserová dioda (polovodičový laser) je polovodičová dioda, na jejímž PN přechodu dochází k přeměně elekrické energie na svělo. Prvním, kdo demonsroval emisi koherenního svěla z polovodiče byl v roce 96 Rober N. Hall Laserová dioda Zdroje koherenního záření Pro vznik koherenního záření musí bý splněno: Velké zesílení foonů pomocí simulované emise v akivním prosředí Exisence kladné zpěné vazby, kerá zajisí, aby čás foonů zůsala v akivním prosředí FabryPeroův rezonáor. U laserových diod plní roli zrcadel odšípnuí krysalu v krysalografických rovinách Simulovaná emise musí dominova nad absorpcí. Více nosičů musí bý ve vodivosním pásu. Laserová dioda Laserová dioda je polovodičová dioda, na jejímž PN přechodu dochází k přeměně elekrické energie na svělo Na rozdíl od LED diod má svělo výrazně užší spekrum a je koherenní Funkce laserové diody je založena na procesu simulované emise Simulovaná emise je kvanový jev, při kerém dopadající čásice (nejčasěji foon) simuluje přechod exciovaného elekronu do základního savu za současného vyzáření čásice o sejných vlasnosech jako má čásice simulující. FabryPeroův rezonáor Waampérová charakerisika laseru Polovodičový laser Pod hodnoou prahového proudu dochází pouze ke sponánní emisi a edy ke generaci nekoherenního záření, naopak s proudem, kerý dosáhne kýžené hodnoy, prudce vzrůsá výkon diody a dochází ke simulované emisi a produkuje se koherenní záření. U laserových diod plní roli zrcadel odšípnuí krysalu v krysalografických rovinách Zrcadlově upravené čelní plochy krysalu ok děr Al x Ga x As, nyp GaAs, pyp zářivá rekombinace Al x Ga x As, pyp ok elekronů simulovaná emise foonů Vnější napěí způsobí, že se v opicky akivní vrsvě krysalu GaAs nahromadí velké množsví elekronů a děr (s dosaečně dlouhou dobou živoa), keré spolu mohou rekombinova převážně jen zářivými přechody. Zrcadlově upravené čelní plochy krysalu vyvářejí planparalelní opický rezonáor délky asi mm a vznikne simulovaná emise foonů.

4 Vlasnosi a použií vysoká účinnos možnos modulace o frekvencích řádu GHz možnosi použií v inegrovaných obvodech Použií v elekomunikacích v opických vlnovodech laserovým měřičích vzdálenosí rychlý isk s vysokým rozlišením v laserových iskárnách Infračervené a červené laserové diody v CD a DVD přehrávačích, fialové u HD DVD a Bluray echnologiích Vysokovýkonové laserové diody se uplaňují v průmyslových oblasech k řezání, obrábění, svařování Opické deekory Foodeekory rozdělení: Foovodivosní (záření mění měrnou vodivos polovodiče) Foovolaické (záření generuje napěí na elekrodách součásky) Fooemisní (záření způsobuje emisi elekronů z zv. emiéru do vakua) Foorezisor Foodioda Fooranzisor Foorezisor Foovodivosní princip Dopadáli na homogenně doovaný polovodič (např. N) svělo, dochází ke generaci páru elekrondíra. Fooodpor Klesá ak odpor maeriálu Foorezisor VA charakerisika přibližně logarimická závislos odporu na osvělení Spekrální cilivos CdS foorezisoru je l max =nm a odpovídá cilivosi lidského oka ma Reálná srukura foorezisoru Foodioda: několik mm oblas p n přechodu Polovodičová foodioda Foovolaický princip Nejvíce rozšířený foodeekor (linearia, nízký šum) p n hn ma Schemaická značka foodiody. Polovodičová foodioda Co nejvíce záření je absorbování v OPN pár elekrondíra Foovolaický jev vzniká při zapojení FD naprázdno viz další snímek Foon pronikne k oblasi pn přechodu kde absorbuje a vygeneruje pár elekron díra. Tímo procesem, kerému se říká vniřní fooefek, vznikne elekrický proud. Důležiou roli zde hraje i závislos absorpce na l.

5 Režimy polovodičové foodiody Foovolaický Paramerem je inenzia dopadajícího svěla, proud je přímo úměrná svěelné inenziě v hodnoě několika řádů Maximální výkon dosaneme pro odpor daný max. plochou čverce Foovodivosní Dioda je polarizována závěrně Propusný Nevyužívá se Aplikace foodiod Foovolaický článek Opický senzor (fooaparáy, kamery, Jiří Jakovenko Elekronika a Mikroelekronika Kaedra mikroelekroniky ČVUT FEL Fooranzisor Svělo dopadá na přechod bázekolekor Svělo ak vlasně ovládá velikos proudu báze, kerý určuje zesílení ranzisoru Výsupní charakerisiky jsou ak funkcí inenziy osvělení Opron Používá se pro galvanické oddělení Tvořen zdrojem záření (např. GaAs LED) a deekorem (Si foodioda nebo fooranzisor) Rychlos je limiována deekorem na výsupu Účinnos,% (pro LEDfoodioda) až % pro LEDfooranzisor Operační zesilovač Operační zesilovač Operační zesilovače byly původně vyvinuy pro realizaci maemaických operací v éře analogových počíačů odud pak jejich název Zásadní snahou bylo vyvoři univerzální zesilovač, jehož přenosové vlasnosi budou zásadně určeny pouze pomocí vnějších pasivních prvků Pro základní analýzu přenosových vlasnosí je zaveden pojem ideální operační zesilovač První operační zesilovače byly konsruovány z elekronek Dnešní operační zesilovače jsou éměř výhradně konsruovány jako inegrované obvody

6 Princip a vlasnosi operačního zesilovače Vlasnosi ideálního operačního zesilovače Nekonečné napěťové a proudové zesílení Reálně 7 Nekonečný vsupní odpor U CMOS až Nulový výsupní odpor řádově desíky ohmů Kmiočová nezávislos nedá se jednoznačně urči Nulové napěí mezi vsupními svorkami (viruální zkra) Ucc Ucc Inverující zesilovač Na výsupu se objeví vsupní napěí vynásobené zápornou konsanou Velikos zesílení je daná poměrem odporů R a R neinverující vsup inverující vsup u u Ucc Uo zem Ucc U = (R /R )*U Vzah plaí jen ehdy, jeli zdrojem signálu obvod s nulovým vniřním odporem (ideální zdroj napěí) vsupní impedance je dána velikosí odporu R Neinverující zesilovač Sledovač napěí Vsupní impedance blíží nekonečnu a nezávisí na hodnoách odporů R a R Zisk je vždy věší než U = (R /R )*U Vsupní a výsupní signál má sejnou fázi není inverovaný Sledovač se používá pro oddělení vysokoimpedančního vsupu a nízkoimpedančního výsupu Vsupní impedance se blížící nekonečnu Výsupní impedance je velmi malá Inegrační zesilovač provádí inegraci (inverovaného) vsupního signálu podle času Inverující inegráor s OZ Neinverující inegráor s OZ U U d U poč RC Derivační zesilovač provádí derivaci (inverovaného) vsupního signálu podle času. Derivační zesilovač se dá použí jako filr (horní propus) du U RC d U U d U poč RC Derivační zesilovač se dá použí jako filr (dolní propus)

7 Přísrojový zesilovač je rozdílový zesilovač s uzavřenou smyčkou zpěné vazby, kerý zesiluje rozdíl vsupních napěí Má velmi malou vsupní nesymerii, vysoký činiel polačení souhlasných signálů, velký vsupní odpor. Reálný OZ Saické nelineariy Rid vsupní odpor mezi diferenčními svorkami Cid vsupní kapacia (diferenční) Ricm sejnosměrný odpor Vos vsupní napěťová nesymerie IB a IB diferenční vsupní proudy Ios vsupní proudová nesymerie (Ios = IB IB) CMRR polačení souhlasného signálu En napěťový šum In proudový šum Doba přeběhu a doba usálení Doba přeběhu (Slew Rae SR) Diferenciální změna na výsupu. Je o prakicky maximální proud schopný nabíje a vybíje připojenou kapaciu Není limiován výsupním blokem, ale zdrojem proudu prvního supně Doba usálení (Seling ime Ts) Doba pořebná, aby se výsup dosal na finální hodnou Malosignálová změna Komparáor Porovnává napěí přivedená na vsupy a. Pokud je vyšší napěí na vsupu, je na výsupu kladné saurační napěí operačního zesilovače, je li vyšší napěí na vsupu, je na výsupu záporné saurační napěí operačního zesilovače. Schmiův klopný obvod Speciální komparáor, kerý má hyserezi. Výsup je závislý nejen na hodnoě vsupu, ale i na jeho původním savu. Velikos hysereze se u schmiova klopného obvodu dá nasavi poměrem odporů R a R AD převodníky

8 Analogově digiální převodník Elekronická součáska určená pro převod analogového signálu na signál diskréní Proč signály digializujeme? Snadné počíačové zpracování Jednoduchý přenos da odolný proi rušení Druhy převodníků Paralelní A/D převodník (Flash) S posupnou komparací Kompenzační Kompenzační číací Kompenzační sledovací S posupnou aproximací Inegrační převodník S dvojiou inegrací Sigmadela převodníky Vzorkování, kvanování a rozlišení Vzorkování analogového signálu Vzorkování se provede ak, že rozdělíme časovou osu signálu na rovnoměrné úseky a z každého úseku odebereme jeden vzorek Kvanování analogového signálu Počíače zpracovávající digiální signál umí vyjádři čísla pouze s omezenou přesnosí, je pořeba navzorkované hodnoy upravi i na svislé ose. Přesnos Paralelní komparační A/D převodník nízké rozlišení (< biů) vysoká rychlos (až GS/s) malá odolnos proi šumu vysoká cena osciloskopy, rychlé digiizéry signálu, radary, zobrazování v medicíně, digiální komunikace Converer inpu Comparaor Oupus Encoder Oupu range (V) A B C D E F G < > >3 >34 >4 >6 >67 >7 Paralelní komparační A/D převodník Pořebuje n komparáorů Nejrychlejší převod 7V 6V V 4V 3V G F E D C encoder digial oupu A/D převodník s posupnou komparací Se skládá z D/A převodníku, komparáoru, číače, hodiny a řídicí logiky Při požadavku na převod: Signál (conversion reques) je poslán do převodníku a číač je vynulován hodinový signál inkremenuje číač, až je referenční napěí generované na D/A převodníku věší, než analogový vsup V omo okamžiku výsupu komparáoru přejde do logické, kerá informuje řídící logiku konverze dokončena Hodnoa číače je výsupní digiální hodnoou B V Vsupní signál je přiveden paralelně na řadu komparáorů, keré srovnávají se sadou napěťových referenčních hladin V inpu signal A

9 A/D převodník s posupnou komparací A/D převodník s posupnou komparací analogue Analogový inpu vsup u časový průběh napěí u DA Converer převodník comparior Komparáor conversion reques comparior oupu u VST () Couner číač clock Hodiny and a conrol Řídící logika logic d.c inpu volage u DAC () u DAC () u VST () DA converer oupu u LSB T T T T T u k couner oupu Doba mezi začákem a koncem konverze je známá až po převodu Nevýhodou je délka doby pořebná pro převod velkého napěí clock u k H L T p pro velké vsupní napěí H L T p pro malé vsupní napěí S posupnou aproximací SAR dosahují vyššího rozlišení (<8 biů) sřední rychlos (až MS/s) nízká odolnos proi šumu sřední cena zobrazování v medicíně, zpracování videa a zvuku, digiální komunikace S posupnou aproximací SAR časové průběhy napěí Při požadavku na převod: Obsah regisru je vynulován MSB nasaven na log. Jesliže Vc = pak Vd < Vin => nechá MSB nasaven Jesliže Vc = pak Vd > Vin => vynuluje MSB Opakuje předchozí krok pro další biy Od MSB do LSB Analogový vsup DA převodník komparáor Na výsupu D/A převodníku Analogový vsup zeleně Na výsupu D/A převodníku červeně 4bi reg b 3 b b b Hodiny a Řídící lohika Inegrační AD převodník Inegrační AD převodník sřední rozlišení (<6 biů) nízká rychlos (< S/s) vysoká odolnos proi šumu nízká cena jednoduché indikáory, aplikace nenáročné na rychlos, mulimery princip funkce: časové průběhy napěí Analogový vsup zeleně Na výsupu inegráoru červeně

10 8 Inegrační AD převodník s dvojiou inegrací AD převodníky ΣΔ u vs > Sar převodu S R S inegráor S R C S U R < = u u T & H & H f T Generáor impulsů H 3 u i & KOMP. číslicový výsup a n a n. ČÍTAČ. a START u S sepnu u u () PŘEPLNĚNÍ ČÍTAČE PRŮCHOD NULOU S sepnu DOBA PŘEVODU T T ΣΔ (SigmaDela) vysoké rozlišení (<4 biů) sřední rychlos (< MS/s) vysoká odolnos proi šumu sřední cena precizní měřicí přísroje, zpracování zvuku, lékařské přísroje, řízení procesů R přeplnění u i u i () průchod nulou Inegráor inegruje referenční napěí po dobu T, danou dosažením nulové hodnoy výsupního napěí u i jakmile výsupní napěí inegráoru projde nulou, signalizuje uo siuaci komparáor a vynuluje klopný obvod KO. Signálem z jeho výsupu se rozpojí spínač S a uzavře H. Na výsupu číače zůsane číslo odpovídající době Paramery a chyby A/D převodníků Paramery a chyby A/D převodníků C C=f(u) pro n pro n= Ideální převodní charakerisika 3biového A/D převodníku u saické paramery ADC rozlišení převodníku ADC dynamický rozsah převodníku přesnos převodníku odchylka skuečné převodní charakerisiky od ideální chyby převodníku a přesnos se uvádějí v poču u LSB, chyby převodníku ADC chyba napěťového posunu (offse), chyba zisku, chyba lineariy (nelinearia), chyba monoónnosi (nemonoónnos) dynamické vlasnosi ADC doba převodu nebo přesněji rychlos nebo čenos převodů ADC, doba převodu je reciproká hodnoa rychlosi převodu, u mnohých převodníků ADC je doba převodu oožná s dobou vzorkování ideální C C C ideální skuečná skuečná ideální skuečná u u u u ofse (chyba posunu) chyba zisku nelinearia Digiálně analogový převodník Měření eploy Navzorkovaný signál Signál na výsupu D/A převodníku

11 Kovové odporové eploměry Využívají závislosi odporu kovů na eploě R R T T R R AT BT CT 3 Používají se čisé kovy (plaina, nikl, měď) Vliv odporu přívodů se eliminuje čyřvodičovou meodou zapojení P, P, P... Odporové polovodičové eploměry Termisory NTC (negasory < ) Výroba práškovou echnologií ze směsi oxidů Termisory PTC (pozisory > ) Vyrábějí se z polykrysalické feroelekrické keramiky (např. BaTiO 3 ) Odpor se soupající T mírně klesá pak nad Curiovou eploou prudce narůsá Použií jako dvousavové senzory překročení přípusné T