OPTOELECTRNICA

OPTOELECTRNICATratamiento de la radiacin electromagntica en el rango de las frecuencias pticas y su conversin en seales elctricas y viceversa.El rango del espectro electromagntico donde se desarrollan los fenmenos donde se desarrollan los fenmenos optoelectrnicos es:

UNIDADES RADIOMETRICAS Y FOTOMETRICAS

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OPTOELECTRONICA

Conversin electro ptica

Electro Opto

Seal Elctrica

Seal ptica

Conversin ptica elctrica

Electro

Opto

Seal pticaSeal Elctrica

CONVERSIN ELETRO -PTICA

Cuando un semiconductor se encuentra excitado. O sea que dispone de electrones en la banda de conduccin, puede emitir fotones como resultado de la recombinacin de los electrones de la banda de de los electrones de la banda de conduccin que saltan hacia la banda de valencia Conversin elctrica en ptica.

Fenmeno de recombinacin de electrones de la banda de conduccin con huecos de la banda de Valencia Si el semiconductor es del tipo Directo se genera un Fotn desapareciendo el electrn y el huecoPor ejemplo el ARSENIURO DE GALIO NaGa El Silicio Si es del tipo indirecto, la recombinacin de electrones de la banda de conduccin con huecos de la banda de Valencia genera Fonones (Calor)

EMISORES

SEMICONDUCTOR

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

Foton

Electrones

Huecos

E=0

E=-Ec

E=-Ev

CONVERSIN PTO ELETRICA

Cuando un fotn de energa W incide en un semiconductor que tiene una energa de banda prohibida igual a al energa del fotn, este excita los electrones de la banda de valencia hacindolos saltar a la banda de conduccin (fenmeno de absorcin)conduccin (fenmeno de absorcin)Conversin ptica en elctrica.

FENOMENO DE ABSORCION DE FOTONES

Como resultado de la absorcin de un fotn se genera un par electrn HuecoSon los conversores pticos elctricos, por ejemploLDR Light Depend ResistorFotodiodoFototransistor

RECEPTORES

SEMICONDUCTOR

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

Fotn Incidente

Electrones

Huecos

E=0

E=-Ec

E=-Ev

Tanto para la absorcin como para a emisin, la energa del

fotn asociado es:

Donde h es la constante de Planck, h=6.62E-34 [J.s] y f es la frecuencia expresada en Hertz de la onda asociada.

Como el Fotn se mueve a la velocidad de la luz (3E8[m/seg])

Donde es la longitud de onda [m] y f es la frecuencia. Luego:

Expresando W[eV] en eV electrn-volt = 1,6E(-19) Joule Se tiene que :

Considerando a la Optoelectrnicacomo un problema de telecomunicaciones podemos clasificar a los componentes en

GENERADORES o EMISORES Y RECEPTORES.

Emisores:Emisores: Receptores:Receptores:Emisores:Emisores:

Lmparas de descarga

LED

LED Lser

Display

Receptores:Receptores:

LDR

Fotodiodos

Fototransistores

CCD

GENERADORES Y RECEPTORES

GENERADORES DIODOS EMISORES DE LUZ (LED)DIODOS LASERTUBOS DE DESCARGA GASEOSA

RECEPTORES De efecto fotoelctrico interno

De juntura Fotodiodo FototransistorFototiristorCelda SolarCelda Solar

Resistivos Resistores dependientes de la luz (LDR)

De efecto fotoelctricoexterno

FotoclulasFotomultiplicadores

GENERADORES OPTOELECTRNICOS

DIODOS EMISORES DE LUZ (LED):

La generacin fotnica es el resultado de una recombinacin electrn hueco espontnea en un semiconductor directo.

Espontneacompletamente aleatoria, no ordenada o inducida por algn agente externo. Los fotones emitidos originan un haz de luz completamente incoherente.

TIPOS DE RECOMBINACIN DE ELECTRONES:

1. Recombinacin entre electrones libres de la banda de conduccin y huecos libres de la banda de valencia.

2. Recombinacin de electrones libres de la banda de conduccin y los iones de los niveles aceptores.

3. Recombinacin entre electrones de los niveles 3. Recombinacin entre electrones de los niveles donores y iones de los niveles aceptores.

4. Recombinacin entre electrones de los niveles donores y huecos de la banda de valencia.

Para que el proceso de recombinacin electrn hueco origine un fotn, la recombinacin se debe producir sin cambios en la cantidad de movimiento del sistema. Esto se da en los materiales de tipo directo. En cambio en los materiales indirectos, la recombinacin se da con variacin en la cantidad de movimiento y lo que se origina es un FONN (fotn de caractersticas trmicas) originando calentamiento del sistema, ms que radiacin ptica.Para entender este fenmeno se debe analizar el diagrama de energas versus la cantidad de movimiento del sistema. energas versus la cantidad de movimiento del sistema.

Para el caso particular de una juntura PN polarizada directa, la inyeccin de portadores minoritarios en las zonas neutras, en la vecindad de la juntura origina un aumento de la recombinacin. A esta inyeccin de portadores en la juntura, que produce fotones como resultado del proceso de como resultado del proceso de recombinacin, se la llama inyeccin Luminiscente.Esta es la razn por la que los LED para que emitan flujo lumnico deben estar polarizados directos.

fFo pn(x)

N (ND)P (NA)

LED

Light Emiting DiodeJuntura PN polarizada directa para favorecer el fenomeno de recombinacion

foton

oton

pn(x)np(x)

pnonpo

MATERIALES DIRECTOS UTILIZADOS PARA LA FABRICACIN DE DIODOS LED:

GaAs (Arseniuro de Galio). GaP (Fosfuro de Galio). InP (Fosfuro de Indio). GaSb (Antimoniuro de Galio) InAs (Arseniuro de Indio). InSb (Antimoniuro de Indio). InSb (Antimoniuro de Indio). AlxGa(1-x)As (Arseniuro de Galio Aluminio). GaAs(1-x)Px (Fosfuro Arseniuro de Galio) InGaAsP (Fosfuro Arseniuro de Galio Indio).

OBS: El Silicio y el Germanio son materiales por naturaleza indirectos, y por lo tanto no se usan para fabricar diodos LED.

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Las impurezas izoelectrnicas colocan estados permitidos en la banda prohibida y convierten al material de indirecto en directo.

MATERIALES DIRECTOS e INDIRECTOS

Grupos III, IV y V de Tabla Peridica

GRUPO III GRUPO IV GRUPO V

5B

6C

7N

13Al

14Si

15PAl Si P

31Ga

32Ge

33As

49In

50Sn

51Sb

LED

Zona P

Anodo

v()

Zona N

Katodo

Estructura de un LEDEstructura de un LED

Caractersticas del LED

Caracteristicas del LED

Es un dispositivo Semiconductor formado por una p-n junction Normalmente construido de Un semiconductor Directo como el

GaAs, GaAsP , GaP : Debe estar polarizado directo con corriente CC Emite LUZ incoherente debido a un proceso de recombinacion de

electrones con huecos en las zonas cercanas a la juntura o sea Recombinacionluzelectrones con huecos en las zonas cercanas a la juntura o sea Recombinacionluz

El color de la luz emitida esta determinado por el ancho de la zona prohibida (separacin entre banda de valencia y conduccin del semiconductor usado

Si y Ge no se utilizan por que son semiconductores indirectos y el proceso recombinacion entre bandas resulta en calor

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PRODUCCIN CUNTICA Q (para un LED):

Nmero de fotones emitidos por unidad de tiempo, por el numero de electrones que son puestos en juego por el proceso por unidad de tiempo. nE: n de electrones por unidad tiempo. nE: n de electrones por unidad

de tiempo = I.t/q .nF: n de fotones por unidad de tiempo = ().t/ (h.f)

I: corriente directa del diodo.: flujo emitido por el LED.

Q= ()/I * (q / h Co) *

SENSIBILIDAD DEL LED: cociente entre el flujo radiante y la corriente elctrica que lo origina.

S=flujo () / corriente = () / I

Intensidad Relativa versus corriente directa del diodo LED

MODULACIN

MODULACIN

MODULACIN