Optoelektronika

Fénytechnikai alapfogalmak Fényáram (Ф) A fényáram az időegység alatt F felületen áthaladó fénykvantumok száma. Mértékegysége lumen [lm]. Térszög (Ω) Fényerősség (I) Fénysűrűség (B) A megvilágítás erőssége (E)

Az optoelektronikai eszközök hullámtartománya (optikai spektrum) A fény hullámhossz tartományai: 100nm - 380nm ultraibolya (UV) 380nm - 760nm látható fény 760nm - 50µm infravörös tartomány (IR) Az infravörös tartomány: 0,76 - 1µm nagyon közeli IR 1 - 3µm közeli IR 3 - 8µm rövidhullámú IR 8 - 14µm hosszúhullámú IR 14 - 50µm távoli IR A legtöbb optoelektronikai eszköz csak a nagyon közeli és a közeli IR tartományban érzékel, illetve sugároz, így ez a tartomány kiemelten fontos az optoelektronikában.

Az emberi szem érzékenysége

Hőmérséklet hatása a becsapódó fotonok hatására lyuk-elektron párok generálódnak. Ugyanez a folyamat játszódik le a hőmérséklet hatására is. A két jelenség nehezen elválasztható egymástól, ráadásul pl. a detektorok a kiürített rétegüket használják detektálásra, ahol eleve kevés szabad töltéshordozó van, és az is a hőmérséklet hatására keletkezett az optoelektronikai eszközök erősen hőmérséklet-függőek (különösen igaz ez a detektorokra).

Öregedés Az optoelektronikai eszközök jelentős részénél megfigyelhető a paraméterek változása(romlása) az idővel. Ezt a jelenséget nevezzük öregedésnek (karakterisztika degradációnak). Az öregedés általában nem jelent műszaki problémát, mert az eszközök jelentős részénél a berendezések erkölcsi élettartama lényegesen rövidebb, mint a fizikai élettartam, így az eszközöket nem használjuk fel az érzékelhető paraméterromlás (karakterisztika degradáció) határáig.

Fotovevők / detektorok A detektorok feladata az optikai spektrum tartományába eső fényjelek átalakítása villamos jellé. Átalakítás során fellépő zajok: foton zaj (elsősorban háttérsugárzás miatt) a detektor zaja (termikus zaj, sörétzaj, flicker zaj) a jelkondicionáló által termelt zajok (termikus zaj, sörétzaj, flicker zaj).

Detektálási küszöb A detektorok a rendszerben fellépő zajok feletti jeltartományt tudják csak detektálni. A detektálási küszöb meghatározására szolgál a NEP (noise equivalent power, zajjal egyenértékű jelteljesítmény) A NEP azt a hasznos jelet mutatja, ami felett a detektálás már végrehajtható. Ez a paraméter azonban nem tartalmazza a sávszélesség (B) és a detektálási felület (Ad) hatását, ezért csak azonos elven működő szenzorok jellemzésére alkalmas.

Detektálási küszöb A NEP-ből meghatározható a detektálási küszöb: A különböző fajtájú szenzorok összehasonlítására a normalizált detektálási küszöbérték (D*) alkalmas, amely figyelembe veszi a fent jelzett paramétereket is.

A detektorok detektálási tartománya A detektor a detektálási küszöbérték felett, egy meghatározott hullámhossz- tartományban képes a jelet detektálni.

Fotoellenállás Light Dependent Resistor, LDR A becsapódó fotonok hatására lyuk-elektron párok keletkeznek. Az így keletkezett szabad töltéshordozók növelik az anyag vezetőképességét, azaz csökkentik az ellenállását. A vezetőképesség változása függ az abszorpciós tényezőtől (azaz a befogott fotonok aránya a detektor felületet érő összes fotonhoz viszonyítva) és a megvilágítás idejétől. A hőmérséklet hatására is hasonló jelenség játszódik le, ezért az így keletkezett jel fotonzajt okoz. A fotoellenállások lehetnek: Intrinsic (sajátszennyezésű) Extrensic (szennyezett félvezető alapanyag)

Fotoellenállás transzfer karakterisztikája Az ellenállás-változás mértéke tipikusan: A kis megvilágítások tartományában a fotoellenállás különösen hőmérsékletfüggő.

Fotoellenállás dinamikus viselkedése A fotoellenállás nagy fel- és lefutási időállandókkal rendelkezik, különösen a világosról sötétre váltásnál. Az az oka, hogy a saját belső melegedés korlátozása érdekében csak nagyon kicsi áram engedhető meg a fotoellenálláson. Ahogy a megvilágítás csökken, a felhalmozott szabad töltéshordozókat ki kell üríteni, de az alacsony áram, amely a sötétre váltás miatt még tovább csökken (lásd transzfer karakterisztika) nagyon lassan tudja csak kiüríteni azokat. A tipikus időállandó ~ms nagyságrendű, de extrém esetekben a ~100ms is lehetséges.

Felhasználási területek Nagy érzékelési felületeket, de dinamikus viselkedést nem igénylő alkalmazások pl.: fényerő, alkonykapcsolók, magasabb hőmérsékletek érzékelése, összsugárzás-mérők, stb. A detektor árammal nem terhelhető, mivel a veszteségi teljesítmény a belső hőmérsékletet növeli, ami a detektálási küszöböt megemeli (rontja). Olyan ellenállás-változáson alapuló mérő kapcsolásokban használható, amelyek nem árammal terhelik a szenzort, pl. feszültség híd-kapcsolások.

Foto-elektromos jelenségek a pn átmenetben A beeső foton hatására a kiürített rétegben lyuk-elektron párok generálódnak, amelyek a réteg határához mozogva csökkentik a kiürített réteg határát. A keletkező lyukelektron párok mennyisége a beeső fotonok számától függ (eltekintve a hőmérséklet hatására keletkező lyuk-elektron pároktól). Természetesen a többségi töltéshordozókat tartalmazó rétegben is lejátszódik hasonló jelenség, itt azonban a keletkező szabad töltéshordozók száma a többségi töltéshordozókhoz képest elhanyagolhatóan kicsi, így detektálni sem lehet azokat. A beeső fotonok hatására megváltozott kiürített réteg az alapállapotban kimeneti kapcsain villamosan semleges (nem mérhető kimeneti feszültség) alkatrésznél a kimeneti kapcsokra feszültséget generál, anélkül, hogy külső segéd energiaforrást alkalmaznánk.

Kimeneti karakterisztika (Si) Fotoelem Fényelem (napelem)

Fotoelem A kimenetet üresjárásban használva a keletkező feszültség detektálható, így a beeső fény mennyisége is meghatározható. Az üresjárási feszültség: Ebben az üzemállapotban detektorként használjuk az alkatrészt. Előnye: Nem igényel külső táplálást Jó detektálhatóság (nincs rekombinációs zaj) Hátránya: lassú működés 1-100µs (nincs áram, így a töltéshordozók kiürítése lassú, lásd fotoellenállás) öregedésre hajlamos Gyakran alkalmazzák kis teljesítményigényű fogyasztók energia ellátására pl. kalkulátorok, LCD digitális órák, stb. ahol mW vagy μW teljesítmény igény lép fel.

Fényelem A detektor speciális felületi kialakítású, a minél nagyobb foton abszorpció miatt. Az egyes cellák soros-párhuzamos kapcsolásával lehet az áramot, illetve a feszültséget növelni.

Fotodióda A fotoelemeknél a detektáló felület a kiürített réteg. Ennek nagysága növelhető, ha a pn átmenetre záró irányú feszültséget kapcsolunk. A zárt áramkörben keletkező fotoáram detektálható. A relatív érzékenység maximuma Si fotodióda esetén kb. 0.85µm hullámhossznál van. A tipikus felfutási/lefutási idő < 1µs.

Fotodióda karakterisztika A fotoáram képlete megegyezik a fotoelem esetén felírtakkal (a záróirányú feszültség a detektálási felületet növeli, de az áramra közvetlenül nem hat ki.)

Alkalmazás detektálásra A fotodióda esetén a fotoáramot detektáljuk, így egy áramvezérelt feszültségerősítést kell felépíteni. Kimeneti feszültség: Előnyei: Gyors Kis terjedési idő Jó detektálhatóság Hátrányai: alacsony jelet szolgáltat, amelyet erősíteni kell a pn átmenet miatti zaj a lezárt pn átmenet erős hőmérsékletfüggése

PIN dióda a két réteg közé beintegrált sajátvezetési (intrinsic) rétege van. Az intrinsic réteg megnöveli a kiürített réteg szélességét. A kiürített rétegben található kevés szabad töltéshordozó fel tud gyorsulni a maximális sebességre anélkül, hogy ütközne (nagy a töltéshordozók szabad úthossza). A nagy töltéshordozó sebesség miatt az eszköz gyors lesz (a jelterjedési idő ns nagyságrendű). A PIN diódát elsősorban gyors, impulzusszerű jelek detektálására használjuk, pl. lézer dióda jelének detektálására. Az elérhető jelterjedési idő ~10-50ps.

Fototranzisztor Detektálásra a lezárt átmenet alkalmas, ami tranzisztornál normál üzemben a C-B átmenetnél áll fenn. Az E-B átmenet nyitott állapotra van előfeszítve normál üzemben, ami a nagyszámú töltéshordozó miatt nem alkalmas a hozzá képest jelentősen kisebb számban fotonok által generált töltések detektálására. A kollektor réteg nagy felületű a jó detektálhatóság érdekében. A foton hatására az átmenetben keletkező töltéshordozók a bázisba jutva ugyanúgy vezérlik a tranzisztort, mint az a normál tranzisztornál külső forrásból származó bázis árammal történik. A lezárt átmeneten azonban nemcsak a foton gerjesztette áram (if) folyik, hanem a kisebbségi töltéshordozók árama (io) is. Ezt az áramot sötétáramnak nevezzük, mivel E = 0lx megvilágítás esetén is folyik. A két áram összege a tényleges bázisáram:

Kimeneti karakterisztika

Lehetséges üzemmódok Fototranzisztor kivezetett bázis nélkül Ez a leggyakoribb alkalmazási mód. Ebben az üzemmódban a fény meglétét kell detektálni, nem pedig annak abszolút értékét. A tranzisztort külső tápforrásból előfeszítjük, de nem állítjuk munkapontba, így lineáris erősítésre nem alkalmas. Fő felhasználási területe: optocsatolók, közelítéskapcsolók, vonalkód leolvasók, stb.

Lehetséges üzemmódok Fototranzisztor kivezetett bázissal A tranzisztort külső tápforrásból előfeszítjük (munkapontba állítjuk), és a szokásos munkapont-beállító kapcsolásokkal munkapontba állítjuk. Linearitása továbbra sem lesz a teljes jeltartományban megfelelő, ezért az információt nem közvetlenül, hanem moduláltan visszük át. A moduláció lehet bármely alapsávi AM (amplitúdó -), FM (fázis-) vagy PM (impulzus-) moduláció. Fő felhasználási területe: alapsávi jelátvitel üvegszálas kábelen, jelátvitel forgó detektorokon, stb.

Foto-FET Működési elvét tekintve egy fotodióda és egy MOSFET kombinációjának tekinthető. A fotodióda által generált töltéshordozók építik fel a növekményes MOSFET csatornáját. A MOSFET vezérlő elektródájával előfeszítve elérhető, hogy sötétben éppen ne folyjon áram a drain és a source között és így az eszköz már rendkívül kicsi megvilágítások esetén is detektálható jelet adjon. Előnyök: alacsony zaj (nincs sörétzaj) nagyon jó detektálhatóság, nagyfokú linearitás, különösen alacsony megvilágítások tartományában

Fotoadók A félvezetők azon tulajdonságaik alapján, hogy a töltéshordozók gerjesztésekor hullámszámvektor változás is bekövetkezik-e vagy sem, két csoportra oszthatók: Direkt félvezető Indirekt félvezető A direkt félvezetők elsősorban fotont sugároznak ki, még az indirekt félvezetőknél a fonon kisugárzás a jellemző. A fénytartományba sugárzó eszközök a direkt félvezetők, amelynek jellemző alapanyagai a GaAs, GaN. Az indirekt félvezetők a hőtartományban sugároznak elsősorban. A fotoadók legjellemzőbb típusai: IRED (InfraRed Emitting Diode, IR tartományban sugároz), LED (Light Emitting Diode, látható fény tartományban sugároz), szilárdtest dióda lézer (Solid State Diode Laser, IR tartományban sugároz). Fononoknak a szilárd halmazállapotú testek rezgési átmeneteinek energiakvantumait nevezzük.

IRED A leggyakrabban alkalmazott GaAs anyagok a közeli IR tartományban sugároznak. Az elérhető hatásfok 1..5%-a a bevezetett villamos teljesítménynek. A kisugárzott fény spektruma szűk sávban mozog, monochromatikus fényforrás. A kapcsolat a bevezetett villamos áram és a kisugárzott fény intenzitása között egy sávban lineáris, de kis és nagy jelek tartományában eltér az ideálistól. A hőmérséklet növekedésére a relatív fényerő csökken. A kisugárzás irányfüggő, a sugárzási kúp keskeny nyílásszögű.

IRED és LED karakterisztika A nyitóirányú feszültség szín- (szennyezés) függő.

Sugárzási kúpszög és fényerő A sugárzási kúpszög a legtöbb alkalmazáshoz nem elegendő, ezért azt külső reflektorral jelentősen megnövelik. A relatív fényerő a hőmérséklettel csökken.

LED Csoportosításuk: hagyományos kisteljesítményű LED nagyfényerejű kisteljesítményű LED nagyfényerejű nagyteljesítményű LED Az egyes csoportok eltérő anyagúak, illetve konstrukciójúak. A hagyományos LED-ek esetén az IR tartományból a láthatófény tartományba a spektrumot szennyezéssel tolják el. GaAsP vörös dióda GaAsP:N sárga dióda GaP:N zöld dióda A hideg színek felé haladva a hatásfok egyre romlik.

Lézer dióda (SDL) A LED és IRED optikai spektruma széles, a kilépő fotonok fázishelyzete véletlenszerű, összehasonlítva a lézer diódákkal. A pn átmenetnek van olyan koherens, irányított kimeneti jele, amely nagyon keskeny sávban fordul elő. Optikai visszacsatolás segítségével a koherens jelet erősíteni lehet. A visszacsatolást vagy dielektromos tükör-réteggel vagy reflektor réteggel (pl. arany) érik el. A dióda lézerek lehetnek egy rétegűek vagy több rétegűek. Lézer fény tulajdonságú eszközöket különböző anyagokból és eljárással építenek, pl. rubin lézer, CO2 lézer, stb. A félvezető technikában GaAs-alapú lézerek az elterjedtek, amelyek méréstechnikában, információ átvitelben és kisenergiájú alkalmazásokban használatosak. A dióda-lézer a LED diódák elvén működik, kiegészítve reflektor réteggel és hullámvezetővel, amely az elektron-sokszorozódást biztosítja.

Optoelektronikai adó-vevők Két alapvető típusuk azon alapul, hogy a két eszköz között a fény útjába kívülről be lehet-e avatkozni vagy sem. Az átvihető információ lehet a fény jelenléte vagy hiánya, lehet alapsávi digitális vagy modulált analóg. A tisztán analóg átvitelt -a nemlineáris karakterisztika miatt- csak korlátozott körülmények között és egyszerűbb követelmények esetén lehet alkalmazni. Az adó általában IRED (optocsatolók, érzékelők, közelítéskapcsolók) vagy lézer dióda (üvegszálas átvitel). A vevő azonban bármely ismert optoelektronikai detektor lehet. Fajtái: Optocsatolók Optoérzékelők Forgó jeladók Lineáris jeladók, stb.

Optocsatolók Az optocsatolók zárt fényúttal rendelkeznek. Kívülről a fény útjába nem lehet beavatkozni. Alapvető feladatuk a galvanikus elválasztás és a szigetelt jelátvitel. Alapvetően a fény meglétét vagy hiányát detektálja a vevő, de korlátozottan megoldható a szigetelt információ átvitel is. Az eszköz egy tokban szerelt adót és vevőt tartalmaz. Az optocsatolók átviteli karakterisztikája az alkalmazott adó-vevő kombinációtól függ, pl. IRED-fototranzisztor páros esetén:

Optoérzékelők Az opto-érzékelők (inicializátorok) olyan adót és vevőt tartalmazó eszközök, amelyek kiképzése lehetővé teszi a fény útjába történő külső beavatkozást: Rés-inicializátor reflexiós (diffúziós) közelítéskapcsoló (proximity switch) Fénysorompó (nagyobb távolságokra)

Forgó jeladók Abszolút jeladó: Inkrementális jeladó: Az abszolút jeladók az elmozdulás mindenkori aktuális szögének a kódját szolgáltatják egy állandó fényforrásból (LED/IRED megvilágított forgótárcsa van, amelyen az alkalmazott kódnak megfelelő optikailag átlátszó körívek vannak kiképezve (annyi, amennyi a pozíció jellemzésére alkalmazott digitális kód hossza). Inkrementális jeladó: nincs a pozíció kódokat tartalmazó tárcsa, hanem helyette van egy forgó tárcsa (kódtárcsa) egyenletes résnyílásokkal (üveglapra maratással felvitt opálos és átlátszó rések), Vele szemben pedig egy álló réslemez, amelyen annyi nyílás van kiképezve ahány optikai adó (IRED) van a kódtárcsával szemben.

Inkrementális jeladó