Fotodiody, LED, fotodiodové snímače Podkladový materiál k přednáškám A0M38OSE Obrazové senzory ČVUT- FEL, katedra měření, Jan Fischer, 2014 Materiál je pouze grafickým podkladem k přednášce a nenahrazuje výklad na vlastní přednášce 1 Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha
Náplň přednášky Polovodič, křemík jako polovodič pro senzory Přechod PN Dioda Fotodioda s přechodem PN PIN- fotodioda Vlastnosti fotodiody Zapojení fotodiody do obvodu 2 Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha
Polovodič Si Polovodičový materiál pro fotodiody, senzory CCD, CMOS- křemík, Si čtyřmocný, 4 elektrony v el. obalu. atomu křemíku Intrinzický polovodičový materiál - krystalová struktura bez defektů, kovalentní vazba - silná, Intrinzický polovodič, pouze jeden prvek, čistý materiál, ideální krystalová struktury bez poruch (dislokací) krystalové struktury Si Si Si Si Si Si Si Si Si společné valenční elektrony Si Detaily viz. kniha- Vobecký, Záhlava: Elektronika Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 3
Polovodič Si Dodání tepelné energie kmity, možnost uvolnění elektronu z elektronového obalu, vznik páru elektron - díra Intrinzická vodivost pouze tepelně generovanými páry elektron - díra elektron při působení vnějšího elektrického pole pohyb ve směru el. pole. Růst intr. vodivosti s teplotou Uspořádaný pohyb elektronů elektrický proud, Díry též pohyb při působení vnějšího el. pole, Si Si díra volný elektron tepelná energie Pohyblivost elektronu - trojnásobná oproti pohyblivosti díry v (Si materiálu) (důsledek vliv na volbu šířky tranzistoru NMOS a PMOS ve struktuře CMOS (PMOS volby 3x širší pro dosažení stejného odporu) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 4
Znázornění v pásovém modelu Elektron buď ve valenčním nebo ve vodivostním pásu (analogie 1.kos.r.) energie buď nižší než W v, nebo vyšší W c. dodáním energie - přibl. 1,1 ev uvolnění elektronu z el. obalu, generace párů elektron díra, pro Si a pokojovou teplotu je W g přibl. 1,1 ev Si Si díra volný elektron tepelná energie W W C W V díra volný elektron W g vodivostní pás zakázaný pás valenční pás Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 5
Polovodiče pro senzory dodáním energie - přibl. 1,1 ev uvolnění el. z el. obalu, generace párů, rekombinace - zánik v rovnováze. vznik volného páru elektron - díra, za pokojové teploty - malý počet párů Působení napětí - proud- vodivost způsobují elektrony i díry vlastní (intrinzická) vodivost polovodiče, za pokojové teploty - velmi nízkávodivost, s rostoucí teplotou - vlastní vodivost roste, tepelná aktivace intrinzický polovodič díra elektron U Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 6
Nevlastní polovodič typu N a P Dotace prvky V nebo III skupiny, zvýšení vodivosti (5 el. v obalu, 3 el. v obalu) nevlastní vodivost, nevlastní polovodič způsobená působením příměsí Polovodič typu N (pátý elektron atomu dopantu vázán slabě k jádru, dodání malé energie možnost uvolnění elektronu, za pokojové teploty atom dopantu volný elektron) Polovodič typu P (3 elektrony v obalu, chybí jeden el. pro kovalentní vazbu, toto místo může zastoupit jiný elektron (analogie hra s chybějící židlí). Pohyb díry Si volný elektron Si díra Si As Si Si B Si Si Si a) b) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 7
Nevlastní polovodič typu N Zvýšení vodivosti polovodiče - zvýšení počtu volných nosičů náboje polovodič typu N, příměsi ze skupiny V (5- mocné, 5 el. v obalu) Dopant - donor - dárce- poskytuje elektron Přidání příměsí - difuzí, iontovou implantací, 4 el. vázané ve struktuře pevně, pátý el. vázán slabě, dodání malé ionizační energie (řádu desítek mev) na uvolnění elektronu Za pokojové teploty - všechny atomy donorů - ionizovány Elektronová vodivost materiálu, nevlastní polovodič typu N Polovodič N - majoritní nosiče - elektrony, minoritní nosiče díry Polovodič N je navenek ale stále elektricky neutrální počet kladně a záporně nabitých částic je shodný Pokud elektron opustí atom donoru - ionizovaný atom donoru - představuje místo kladného fixovaného náboje Vyšší koncentrace volných elektronů- vyšší vodivost Velmi vysoká koncentrace dopantů, degenerovaný polovodič N + Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 8
Nevlastní polovodič typu P Polovodič typu P, příměsi - ze skupiny III (3- mocné, 3 el. v obalu) Dopant - akceptor - příjemce, může přijmout elektron - příjemce není úplná kovalentní vazba, chybí pro ni elektron Elektron se může přijmout z vedlejšího atomu Si, zde pak chybí elektron ve vazbě- díra se posune, tato díra se takto může pohybovat dále Děrová vodivost, materiál typu P Pohyblivost díry je 1/3 oproti pohyblivosti elektronu - vodivost materiálu typu P je 1/3 oproti typu N při stejné koncentraci volných nosičů polovodič P - majoritní nosiče - díry, minoritní nosiče - elektrony Polovodič P je ale stále elektricky neutrální, počet kladně a záporně nabitých částic je opět shodný Pohyb díry - Ionizovaný atom akceptoru - představuje místo záporného fixovaného náboje Velmi vysoká koncentrace dopantů akceptorů - degener. polovodič P + Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 9
W volný elektron vodivostní pás W vodivostní pás W C W V W DI D W g zakázaný pás úroveň donorových příměsí W C W V zakázaný pás W g W AI A úroveň akceptorových příměsí valenční pás a) b) díra valenční pás Příměs a) prvků z 5. sloupce (např. arzén), b) prvků ze 3. sloupce ( např. bór) W Di, W AI řádově desítky mev ) např. 50 mev za pokojové teploty, všechny atomy příměsi jsou ionizované, Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 10
Přechod PN Polovodiče P a N na sobě metalurgický přechod vodivost typu P vodivost typu N metalurgický přechod elektrony díry různý způsob vytvoření přechodu PN, (difůzí, iontovou implantací vytvoření oblasti s opačným druhem vodivosti na podložce - substrátu Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 11
Přechod PN Difůze elektronů z oblasti N do oblasti P, děr z P do N, rekombinace (difúzní délka - střední dráha nosiče, než rekombinuje ) Vznik chuzené oblasti - bez volných nosičů - elektronů, nebo děr, oblast prostorového náboje (OPN) vyprázdněná oblast, (depletion region) - oblast PN přechodu Po odešlých děrách a elektronech zůstávají ionizované atomy donorů a akceptorů, představují místa fixovaných záporných a kladných nábojů, elektrická dvouvrstva PN přechod - uspořádání i P + na N, nebo N + na P čím vyšší koncentrace dopantů - tím kratší dif. délka, menší OPN difuze el. a děr ochuzená oblast P N P N elektrická dvouvrstva Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 12
Pásový model přechodu PN Difúze elektronů a děr, OPN W OPN W C W V P oblast W F N oblast vodivostní pás valenční pás difuze el. a děr ochuzená oblast P N P N elektrická dvouvrstva Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 13
Vytvoření OPN v oblasti přechodu PN elektrická dvouvrstva difundující díry difundující elektrony Q P OPN N P N E x Jaká je velikost OPN, kde je umístěna, jak závisí na koncentraci dopantů? Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 14
Fotodioda s přechodem PN Dopad fotonu s dostatečnou energiípředání energie, uvolnění elektronu z obalu, vznik páru elektron díra. W g křemíku při pokoj. teplotě 1,12 ev W W = hν= g f hc λ [ J] N N + P + antireflexní vrstva W W hc g f = λ e [ ev] kontakt izolační vrstva OPN kontakt λ 124, µ m,ev absorpční hrana, max. vlnová délka záření, W g [ ] které může být absorbováno, pro křemík přibl. λ max = 1,1 um! Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 15
Fotodioda a její OPN tenká, silně dotovaná oblast P +, OPN především v oblasti N Záření průchod tenkou oblastí P + Místo absorpce fotonu v závislosti na vlnové délce křemík Si- činitel absorpce klesá s rostoucí vlnovou délkou, nad absorpční hranou -. (λ max = 1,1 um) je Si pro záření propustný P + N Q OPN P + λ 1 λ 2 λ 3 E x N OPN a) b) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 16
Planárně difusní fotodiody např. sustrát N, difuse Bor Ohmický kontakt na substrát N, nadifundování oblasti N +, není možné přímé kontaktování polovodiče kovem (kov polovodič tvoří Schottkyho diodu Přední metaliazce hliník, zadní metalizace chrom, zlato, (viz fotodioda- měřič výkonu) Intenzita záření klesá exponenciálně hloubka vniku záření pokles intenzity záření na hodnotu 1/e = 1, 2,718 činitel absorpce velký pro maléλ klesá s rostoucíλ záření pro λ = 400 nm, se 99,9 % záření absorbuje na dráze 1,28 um. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 17
OPN - Fotodioda nakrátko W W C L dif-p+ hν W F W V P + OPN L dif-n N OPN Fotodioda s předpětím v závěrném směru, zvětšení OPN, snížení kapacity W W C L dif-p+ W V hν P + OPN L dif-n N Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 18
Dioda a fotodioda s přechodem PN - shrnutí Dioda s přechodem PN, Si materiál, napětí v předním směru, 0,6 až 0,7 V Zapojení diody v propustném směru nutnost překonat působení elektrického pole pole elektrické dvouvrstvy v oblasti přechodu PN. Průchod děr (elektronů) do oblasti přechodu PN a následně do P( resp. N) Osvětlená fotodioda naprázdno (generátor) kladné (+) napětí na P Napětí na přechodu PN v závěrném směru působením vnějšího el. pole zvětšení OPN Elektrické náhradní schéma ochuzená oblast OPN ( jako izolant) ostatní části oblastí P a N (vně OPN) jako elektrody kondenzátoru Růst napětí v záv. směru zvětšení OPN (využívá se u varikapu- dioda náhrada kondenzátoru s proměnnou kapacitou) Podobné působení u diody- fotodiody, PIN fotodiody, přiložení napětí v závěrném směru snížení kapacity. Závěrný proud Si diody s přechodem PN, roste s teplotou, způsoben tepelnou generací párů elektron díra, působení volných el. v oblasti P působení el. pole posun k oblasti přechodu, analogicky působení děr v oblasti N, problém klidového proud logiky CMOS, (Tím také způsobeno omezení velikosti doby expozice obrazových senzorů) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 19
PIN fotodioda Pro zvětšení OPN PIN (polovodič P, intrinzický pol. I, polovodič N) intrinzická vrstva - prak. realizace - jako velmi slabě dotovaná oblast N. difuzní délka díry v N-??, velikost OPN Uspořádání P+, I ( slabě dotovaná N) Důsledky pro rychlost odezvy na opt. impuls? místo absorpce fotonů modrého, červeného a infračerveného záření? změna vlastností PIN fotodiody s rostoucím předpětím v závěrném směru? Velkoplošné PIN fotodiody PSD - fotodiody modré záření P + hν infračervené záření kontakt izolant OPN I N + kontakt Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 20
VA charakteristiky fotodiody Soustava V A charakteristik, posun s rostoucí E e záření (zjednodušená konstrukce parametrický posun ve směru I, ve zjednodušeném ideálním případě i 1 (u) I 2 (u) = konst výklad. proud v závěrném směru, příčina, závislost, důsledky jak změna citlivosti s rostoucím přiloženým napětím v závěrném směru? změna spektrál. char citlivosti v infračervené oblasti, vysvětlení I I U RP a U U E e c b Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 21
Zapojení fotodiody do obvodu Fotodioda provoz ve 4. kvadrantu fotodioda provoz ve 3. kvadrantu výklad: výhody a nevýhody zapojení,?? citlivost, kapacita, rychlost, proudy za tmy + I Z I Z U RP - U P R Z R Z Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 22
Příklad PIN fotodioda BPW34 Pin fotodioda BPW34, firma Osram a další dostupná, cena 10 Kč + Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 23
Příklad PIN fotodioda BPW34 Standardní bílé světlo A teplotní zdroj žárovka odpovídající teplota zářiče T = 2856 citlivost A/W kvantová účinnost Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 24
Příklad PIN fotodioda BPW34. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 25
Příklad PIN fotodioda BPW34 Napětí naprázdno, proud nakrátko při závěrném předpětí U R = 5V Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 26
Příklad PIN fotodioda BPW34 Závislost kapacity na na napětí ( v závěrném směru) Směrová charakteristika citlivosti pokles signálu na ½, úhel? pokles plochy - průmět do roviny kolmé ke směru dopadu paprsků S prum = S cos α) pozn. cos 60 0 = 0,5 navíc - působení zapouzdření fotodiody, Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 27
Fototranzistor Dioda přechod (dioda) báze kolektor působí jako fotodioda absorpce záření v oblasti OPN přechodu báze kolektor, fotoproud, jeho zesílení tranzistorem, zesilovací činitel, h 21E, dále viz zesilovací stupeň s tranzistorem možná zapojení SE (společný emitor), SK (společný kolektor) viz materiály ke cvičením u fototranzistoru s vyvedenou bází- možnost využití samotné fotodiody fototranzistor, podstatně pomalejší než fotodioda PIN, spínací časy 10- ky až 100us (podle zapojení) fototranzistory- relativně levné, pro méně náročné aplikace, menší linearita přev. char. záření proud oproti fotodiodám dle materiálů firmy Vishay Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 28
Náhradní schéma fototranzistoru Parazitní kapacita C CB přechodu kolektor - báze (Millerova kapacita) V zapojení SE (společný emitor - s rezistorem v kolektoru) je působení kapacity C CB větší násobení proudovým zesilovacím činitelem tranzistoru efekt jako h 21E. C CB V zapojení SK - společný kolektor (s rezistorem v emitoru) se méně uplatní působení parazitních kapacit FT + 5V R C + 5V R E U 2 FT U 2 Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 29
Příklad fotoranzistor PT204 6C PT204-6C fototranzistor, firma Everlight mezní parametry U EC0 max = 5 V pozor na přepólování, hrozí průraz přechodu BE (např. při případném pokusu o použití antiparalelně zapojených fototranzistorů pro ovládání střídaného proudu) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 30
Příklad fotoranzistor PT204-6C Klidový proud ICE0, doba náběžné a spádové hrany, Různá citlivost působení různého zesil. činitele h 21E, třídění G, H, J, K Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 31
Příklad fotoranzistor PT204-6C Omezení linearity přev. char. záření proud podobně, jako nelinearita přev. char. I CE = f (I B ) u tranzistoru zde I CE nahrazen intenzitou ozáření E e Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 32
Příklad fototranzistor BPY 62 BPY 62 použit v úloze reflexní snímač BPY-62 má vyvedenu bázi jsou uvedeny charakteristiky vlastního tranzistoru fotoproud I PCE zavisí na zesílení fototranzistoru, třídění do skupin ě, 3, 4,.. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 33
Příklad NPN fotoranzistor BPY 62 Spektrální charakteristika citlivosti max. citlivost v blízké infra oblasti 900 nm Směrová charakteristika citlivosti, poloviční úhel 8 stupňů (pokles citliv. na ½) (viz. úloha měření vyzařovacích char.) Úzký tvar charakteristiky ovlivněn použitím čočky Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 34
LED LED Light Emitting Diode světlo - emitující dioda PN přechod, působení vnějšího napětí injektáž nosičů do oblasti přechodu PN, získání energie, rekombinace, uvolnění energie (ve formě fononu teplo), fotonu - záření W OPN W C W V W F vodivostní pás P oblast N oblast valenční pás ochuzená oblast P N P N elektrická dvouvrstva Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 35
LED LED Light Emitting Diode světlo - emitující dioda IRED Infrared Emitting Diode dioda emitující infračervené záření (nepřesně - infra LED ) Polovodičový přechod PN, injektáž nosičů do oblasti přechodu PN, rekombinace, vyzáření části energie ve formě optického záření U LED elektron v oblasti P, ve vodivostním pásu - vyšší energie (díra se pohybuje ve valenčním pásu) při rekombinaci elektron - díra - uvolnění energie ve formě fononu (tepelného záření) nebo fotonu (optického záření) u LED snahou, aby co nejvíce rekombinací generovalo fotony LED spontánní emise, okamžiky rekombinace jednotlivých párů elektrondíra a vzniku jednotlivých fotonů nejsou na sobě závislé, náhodný okamžik jednotlivých dějů generace fotonu (vysvětlení analogie--..) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 36
LED Materiály Ga (Gálium), GaAs Galium Arsenid, stálý vývoj, GaN, LED nejsou na bázi křemíku Monochromatické LED, λ max, λ dominantní, šířka spektra pro pokles na 1/2 LED pro osvětlovače, pozor svítivost zářivost, (λ = 630 nm, λ = 660 nm ) Svítivost LED v kandelách Cd (v ose), pozor směrová charakteristika Vyzařovací charakteristika úhlový údaj pokles svítivost (zářivosti ) na 1/2 Bílé LED ( jednočipové), generace záření o kratší vlnové délce (modré), převod luminoforem na širší spektrum, analogie luminofor v zářivce, spektrum? Světelná účinnost záření LED, poměr světelného toku vůči zářivému toku, nevyjadřuje nic ohledně účinnosti vlastní generace světla ale pouze o způsobu vnímání světla okem, křivka V-lamda LED - parametry vlnová délka záření, tvar vyzařovací charakteristiky, svítivost v ose maximum v Cd (v kandelách), někdy též celkový světelný tok (lm) IRED infračerveně zářící, celkový zářivý tok W, tvar vyzařovací charakteristiky, někdy táž zářivost W/sr ( w na steradián) (pojmy -viz minulé před.) Maximální stálý proud, max. impulsní proud (střída) statické, impulsní buzení LED, IRED výklad, Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 37
Laser Light amplification by stimulated emission v prostředí - nosiče energie v nižším energetické stavu nevybuzené ve vyšším energetickém stavu vybuzené přechod na nižší energetický stav, vyzáření energie ve formě fotonu vygenerované fotony spouštějí další generaci fotonů zesílení stimulovaná emise zesílení světla stimulovanou emisí synchronizace generace ve fázi, koherentní záření analogie nabuzení, rezonátor,..uvolnění LED spontánní emise LASER stimulovaná emise Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 38
LED Pouzdro LED opticky difusní materiál rozptýlení světla, širší vyzařovací charakteristika Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 39
LED Pouzdro- materiál opticky čirý ( průhledné ) vyzařovací charakteristika je určena geometrií pouzdro, poloha čipu Tvar čelní plochy LED kulová plocha čočka, rovinná, kónická Pouzdro- materiál opticky čirý ( průhledné ) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 40
LED čiré pouzdro Vyzařovací charakteristiky čiré LED - ovlivněna tvarem čelní čočkové plochy a polohou čipu vzhledem k čelní ploše Rovná čelní plocha LED lom od kolmice viz před. zákon lomu. přechod záření z opticky hustějšího do řidšího prostředí Umístěním čipu vzhledem k čelní ploše LED lze při (volbou pouzdření) ovlivnit směrovou vyzařovací charakteristiku Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 41
LED vyzařovací charakteristiky Příklad čirá červená LED Ledtech LT1871-81, průměr 5 mm LED - obecně nízké závěrné napětí (hrozí průraz) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 42
LED charakteristické parametry Výklad svítivost I v, vlnová délka pro max. vyzařování, dominantní vlnová délka Svítivost- růst lineárně s proudem Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 43
LED Srovnání spektrálních vyzařovacích charakteristik - jednočipová bílá LED, a barevné LED vzhledem k spektrální charakteristice V(λ) - citlivosti lidského oka - (materiál firmy Osram) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 44
LED Jednočipová bílá LED a barevné LED (materiál firmy Osram) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 45
LED Jednočipová bílá LED, a barevné LED (materiál firmy Osram) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 46
LED Příklady LED v pouzdrech pro povrchovou montáž - SMT Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 47
Polovodičový laser Light amplification by stimulated emission v prostředí s inverzní populací počet vybuzených nosičů je větší než počet nevybuzených Stimulovaná emise, procházející (a absorbovaný) foton v oblasti přechodu PN spustí další násobnou generaci záření, která je s ním synchronní. Polovodičový laser laserová dioda Fabry Perrotův rezonátor, zrcadlo a polopropustné zrcadlo laděný obvod tenké vrstvy, opak funkce antireflexní vrstvy (viz. přednáška konstruktivní interference, Polovodičový laser přechod z oblasti spontánní do stimulované emise při prahovém proudu. Laserová dioda blízké bodovému zdroji záření ( z hlediska rozměrů ne však směrovosti) rozměry zářící oblasti 1x 3 um (malé lasery) Laserová dioda prahový proud, Přechod ze spontánní do stimulovaná emise. Dáno plošnou hustotou proudu přechodem PN, (velikost přechodu určuje abs. velikost I) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 48
Laserová dioda Hranově emitující dioda, vlnovod, Fabry- Perrotův rezonátor určen stěnami čipu (boční pohled) čelní pohled (záření vystupuje z nákresny) rozměr aktivní zářící oblasti um z hlediska rozměrů blízké bodovému zdroji Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 49
Laserová dioda - uspořádání. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 50
Polovodičový laser směrové charakteristiky Laserová dioda sama nemá úzký svazek světla, LD - sama svazek s divergencí cca 15 x 30 40 stupňů!!! Oblast PN přechodu rovina Stimulovaná emise zúžení vyzařovací charakteristiky v rovině přechodu na 10 20 stupňů Úzkého svazku nerozbíhavého telecentrického svazku se dosahuje kolimační optikou (bude dále u optiky) viz laserové ukazovátko.? koherenční délka záření, rozlišení laserové ukazovátko a skutečný laser Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 51
Laserová dioda - astigmatismus Vyzařovací charakteristika pro obě rovina není společný střed (výchozí) bod (laserová dioda sama neposkytuje úzký svazek záření, to se realizuje až optikou) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 52
Laserová dioda Oblast spontánní emise Oblast stimulované emise nad kolenem Monitorovací fotodioda PD, snímání záření (malé části) laserové diody, regulace (externí regulátor proudu LD pro dosažení konst. výkonu zář. toku) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 53
Snímače s fotodiodami Jednoduché snímače typu optická závora, IRED ( infra dioda) + fototranzistor vyhodnocení přítomnosti clonky Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 54
Reflexní snímače Kombinace infra dioda, fototranzistor, možná funkce i bez modulace (zanedbatelné rušivé okolní světlo) pro vyhodnocení přítomnosti objektu s posunem v podélném směru ( ve směru osy vyzařován IRD,,) a vyhodnocení ve směru příčném Závislost signálu na vzdálenosti objektu Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 55
Reflexní snímače Použití reflexních snímačů pro vyhodnocení polohy objektu v příčném směru ( černo bílé rozhraní) snímání tmavé (světlé) značky na rotujícím kotouči pro bezdotykové snímání otáček Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 56
Optoelektrické snímače pro průmyslové použití Reflexní snímače a optické závory (viz laboratorní cvičení VBM) snímače s difuzním odrazem, snímače s odrazkou ( funkce obdobná optické závoře), polarizační filtry, odrazka otočení roviny polarizace záření o 90 stupňů optické závory snímače s optickými vlákny funkce reflexního snímače a závory Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 57
Uspořádání obvodů průmyslového reflexního snímače Průmyslové reflexní snímače nutnost potlačit působení okolního rušivého záření, optický filtrace ( filtr pře přijímačem), impulsní modulace záření, krátké optické impulsy, trvání několika mikroskund, Nastavení snímače - prahovací úroveň, (viz. úloha lab. cvičení) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 58
Reflexní snímač s odrazkou Polarizační filtry, odrazka koutové odrážeče ( viz. lab. cvičení) funkce a použití odrazky Otázka lze využít odrazku i pro snímač s difúzním odrazem? Typické použití ve funkci optické závory, kdy je elektronika snímače pouze na jedné straně. Výhodné i pro detekci přítomnosti transparentních objektů (skleněné lahve) dvojnásobný průchod záření detekovaným objektem) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 59
Snímač s procházejícím světlem Snímač s procházejícím světlem (zářením) optická závora nutné nastavení osy vysílače a přijímače, příp. překrytí kužele vyzařovací charakteristiky vysílače s kuželem směrové charakteristiky citlivosti přijímače ( viz. lab. úloha směrové charakteristiky vysílačů a přijímačů opt. záření). Aktivní oblast - pracovní oblast určena průměrem vysílaného svazku a velikostí fotocitlivé části přijímače (viz. lab. úloha optická závora - určení nejmenšího rozměru detekovatelného objektu), pro detekci malých objektů nutná malá apertura vysílače a přijímače Nastavení směru vysílače, přijímače - viz. směrové charakteristiky zdrojů a detektorů opt. záření. (zářiř musí ozářit přijímač, přijímač musí vidět vysílač) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 60
Jednoduché snímače s procházejícím světlem urč. příčného rozměru Bodový zdroj záření laserová dioda, kolimační optika telecentrický svazek paprsků na výstupu (cca 20 mm) kolimační optika před přijímačem fotodioda, stupeň zaclonění svazku určení velikosti objektu! (svazku na 20 mm) přijímač s fotodiodou vysílač s laserovou diodou Přesnější měřiče průměru místo fotodiody používají řádkový senzor CCD, příp. i další optiku) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 61
Snímače rozměru s rovnoběžným svazkem paprsků Laserový zdroj, kolimační optika, řádková snímač s optikou nebo i bez optiky. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 62
Snímače s optickými vlákny Koncovka reflexního snímače se dvěma opt. vlákny ( symetrické, uživatel si volí vysílací a přijímací vlákno Obvykle plastová opt. vlákna se skokovou změnou indexu lomu ( step index ) (Pozn. plastová opt. vlákna použití také v automobilu pro přenos dat) Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 63
Snímače s optickými vlákny Reflexní snímač s opt. vlákny se dvěma oddělenými vlákny možnost doplnění kolimačních čoček pro úpravu charakteristiky- viz. lab cvičení snímač s potlačením signálu pozadí Nastavením polohy kolimační čočky vzhledem k čelu optického vlákna změna vyzařovací charakteristiky viz. lab. cvičení Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 64
Snímače s optickými vlákny Výklad, reflexní snímač, difuzní odraz, snímač s potlačením pozadí využití čoček na vlákně, optická vláknová závora viz. úloha lab. cvičení Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 65
Snímače s optickými vlákny Příklady reflexních snímačů a opt. závor s opt. vlákny Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 66
Optoelektrické snímače zesilovače pro snímače s opt. vlákny Moderní snímače s opt. vlákny (reflexní snímače, závory) mikroporcesorové řízení, konfigurace chování tlačítky na panelu, příp. terminálem, optická komunkace při nastavování, Binární výstupy typu NPN, PNP Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 67
Výstupy optoelektrických snímačů (závory a reflexní) Výstupy snímačů pro spolupráci s PLC (Programmable Logic Controller) výstupy typu NPN, PNP obdobně výstupy snímačů ultrazvukových, indukčních,. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 68
Nasazení snímačů v technologické lince - průchod. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 69
Nasazení snímačů v technologické lince odraz. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 70
Triangulační snímač Snímače s potlačením signálu pozadí s diferenciální fotodiodou, využití triangulačního principu Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 71
Triangulační snímač pro měření vzdálenosti Triangulační snímač s PSD, CCD pro určení vzdálenosti změna vzdálenosti objektu posun polohy optické stopy promítané na povrch senzoru ( PSD, CCD) Jednoduché triangulační snímače pro robotiku IRED + PSD ( příklad GP2Y0A21YK0F) Precizní snímače, polovodičová laserová dioda ( infra nebo viditelná oblast) velmi malá měřicí stopa pod 0, 1 mm. PSD i a obr1 obr2 poloha 1 poloha 2 i b IRED Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 72
Triangulační snímač pro měření vzdálenosti. Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 73
Triangulační snímač pro měření vzdálenosti Varianty snímačů s obrazovými senzory CMOS, měření tvaru, profil Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 74
Fotodiody s barevnými filtry Senzor barvy - tři snímače (lineární převodní charakteristika fotodiody) s předřazenými optickými filtry před fotodiodami ( R, G, B složky) Jsou dostupné i senzory s barevnými filtry umístěnými přímo na čipu fotodiod RGB filtry, Zvláštní fotodiody filtr upravující charakteristiku citlivosti podle V(λ) charakteristika citlivosti lidského oka, pro měření osvětlení, Před. 1-2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha 75