Realizarea fizică a dispozitivelor optoeletronice

Transcriere

1 Curs /2019

2 2C/1L Optoelectronică OPTO Minim 7 prezente curs + laborator Curs - conf. Radu Damian an IV μe Vineri 8-11, P5 E 70% din nota 20% test la curs, saptamana ora probleme + (2p prez. curs) + (3 teste) + (bonus activitate) toate materialele permise Laborator sl. Daniel Matasaru an IV μe Marti Joi 8-12 par/impar L 30% din nota (+Caiet de laborator)

3 Curs Vineri 8-11, P5 2C 3C 14*2/ C Curs final 18:00 minitest 3 Colocviu ora 14 P6/P7

4 Irinel Casian-Botez, "Structuri Optoelectronice", Ed. "CANOVA", Iasi 2001, ISBN Behzad Razavi Design of Integrated Circuits for Optical Communications, Mc Graw Hill IBM - Understanding Optical Communications: on-line Radu Damian, I Casian, D Matăsaru - Comunicatii Optice, Indrumar de laborator, 2005

5 db = 10 log 10 (P 2 / P 1 ) dbm = 10 log 10 (P / 1 mw) 0 db = db = (+2.3%) + 3 db = db = db = 10-3 db = db = db = db = dbm = 1 mw 3 dbm = 2 mw 5 dbm = 3 mw 10 dbm = 10 mw 20 dbm = 100 mw -3 dbm = 0.5 mw -10 dbm = 100 W -30 dbm = 1 W -60 dbm = 1 nw [dbm] + [db] = [dbm] [dbm/hz] + [db] = [dbm/hz] [x] + [db] = [x]

6 Pierderi Pierderi Pierderi P out P in out db 10log 10 Pin db P dbm P dbm out P in Atenuare db/km Pierderi[dB] lungime[km ]

7

8 Caracteristica putere optica emisa functie de curentul direct prin LED este liniara la nivele mici ale curentului. Nu exista curent de prag La nivele foarte mari puterea optica se satureaza Responzivitatea r P I o W A Tipic r=50μw/ma

9 Amorsarea emisiei stimulate necesita pomparea unei anumite cantitati de energie curent de prag I I I th r P I th P I o regim LED ineficient!, r regim LASER I W A o I th Apare saturare la nivele mari de curent P o 0

10

11 Eficienta cuantica - raportul dintre numărul de perechi electron-gol generate şi numărul de fotoni incidenţi In unitatea de timp numarul de fotoni depinde de puterea optica, iar numarul de electroni impune curentul generat I e P h Responzivitatea A R R 0.8 m I P o n n e f e hc W

12 Solutia consta in introducerea unui strat foarte slab dopat (intrinsec) intre cele doua zone ale diodei creste volumul de absorbtie deci creste sensibilitatea fotodiodei capacitatea jonctiunii scade ducand la cresterea vitezei este favorizat curentul de conductie (mai rapid) fata de cel de difuzie

13

14 Capitolul 9

15 joncțiunea pn

16 joncțiunea pn

17 joncțiunea pn V V D

18 joncțiunea pn / Fotodioda

19 generarea unei perechi electron/gol in interiorul unui material prin absorbtia energiei fotonilor incidenti si cresterea energiei potentiale a electronilor urmat de posibilitatea separarii sarcinilor deosebit de conversia: fototermica (energia fotonilor este convertita in caldura energie cinetica a electronilor) fotochimica (fotosinteza energie potentiala utilizata chimic) duce la aparitia unei tensiuni electromotoare si a unui curent intr-un circuit inchis

20 diferit de efectul fotoelectric (cu toate ca este asemanator ca principiu)

21 Separarea fizica a sarcinilor este de obicei realizata prin utilizarea unei jonctiuni pn: campul electric generat de distibutia sarcinilor in zona golita de purtatori a jonctiunii In principiu o celula solara este o fotodioda in care: nivelul de semnal optic este ridicat (fortarea prin polarizare inversa externa a extragerii tuturor electronilor generati nu e necesara) viteza de lucru nu e importanta (accelerarea iesirii din dispozitiv a electronilor generati nu e necesara)

22 in principiu o dioda cu arie mare (~100cm 2 ) cu suprafata tratata antireflectorizant genereaza o tensiune electromotoare de 0.51V genereaza curenti de scurtcircuit de x0 ma/cm 2

23 pentru utilizare in practica module de de celule conectate in serie creste tensiunea la 12V (tipic)

24 pentru utilizare in practica modulele sunt conectate in serie si/sau paralel pentru obtinerea tensiunilor/curentilor necesari pentru aplicatie

25 pentru utilizare in practica diode pentru flexibilitate

26 in principiu o dioda

27 probabilitate de generare a purtatorilor depinde de material distanta parcursa

28 probabilitate de generare a purtatorilor depinde de material distanta parcursa

29 probabilitate de captura a purtatorilor

30 Energia necesara pentru eliberarea unei perechi electron gol hc h E g Lungime de unda de taiere max hc E g Coeficientul de absorbtie are valoare mare la lungimi de unda reduse Ca urmare comportarea tuturor materialelor este de tip trece banda

31 raspuns spectral

32 Schema echivalenta dioda sursa de curent generat de fluxul de fotoni incident

33 Schema echivalenta dioda sursa de curent generat de iluminarea energetica incidenta curent de intuneric I d ev KT V I e 0 1 adaugarea curentului generat de fotoni I E, V I E I V e sc tensiunea in gol k T I sc Ee V ln 1 oc e I 0 e d

34 I E, V I E I V e sc e d I d ev KT V I e 0 1 V oc k T I sc Ee ln 1 e I 0

35 poate fi folosita in loc de baterie intr-un circuit electric cu anumite diferente

36 Putere generata P V I P sc 0 I 0 sc P oc V oc 0 0

37 Putere generata P m V pm I pm Valorile de curent si tensiune pentru putere maxima sunt date de catalog, circuitul de conditionare care urmeaza dupa celule poate fi optimizat sa functioneze la aceste valori

38 Factor de umplere P m o masura a calitatii celulei dependent de material V pm I FF pm V V pm oc I I pm sc

39 Rezistenta serie rezistenta echivalenta a semiconductorului utilizat rezistenta jonctiunilor metal/semiconductor rezistenta contactului metalic al anodului si colectorului Rezistenta paralel generata de defecte de fabricatie

40

41 Minimizare Rs bare colectoare degete Compromis rezistenta suprafata metalica reflectorizanta

42 Comprimis rezistenta/suprafata metalica

43 Raportul intre V si I cand celula lucreaza la eficienta maxima R C V I pm pm V I OC SC Daca sarcina este egala cu RC, celula lucreaza la eficienta maxima Tipic, celulele comerciale opereaza la tensiune mica si curent mare conexiunile la celule trebuie sa aiba rezistente de ordinul mω R C 0.6V A

44 raportul dintre puterea electrica generata si puterea optica incidenta P P P P m o m o V V pm oc I Po I P sc pm o FF Puterea optica depinde de fluxul energetic al luminii incidente si suprafata celulei P o S 0 e d

45 determina suprafata necesara pentru obtinerea unei puteri dorite

46 Exista o limita maxima teoretica pentru fiecare material semiconductor fiecare material are o banda spectrala proprie, mai mica decat banda spectrala a soarelui valorile nu sunt foarte mari din motive economice, recordurile nu sunt repetate in practica

47

48 materialele care ofera tensiuni mari au de obicei curenti mai mici dependent de latimea benzii interzise

49 materialul preferat este Si

50

51

52

53

54 Energia receptionata pe toata suprafata Pamantului intr-o ora mai mare decat toata energia consumata de intreaga populatie intr-un an

55 AM 0 = radiatia in afara atmosferei terestre AM 1 = radiatia la suprafata terestra, incidenta normala AM 1.5 = radiatia la suprafata terestra, incidenta corespunzatoare latitudinii de 48 (standard) AM 0 AM 0 AM 1 AM 1.5

56

57

58

59

60 Toate materialele utilizate au o banda care acopera doar partial spectrul solar (ex. GaAs)

61

62

63

64

65 Puterea optica depinde de fluxul energetic al luminii incidente si suprafata celulei la incidenta normala P o S 0 e d la incidenta oarecare e S nda S S E Acos H α α

66 Pozitia soarelui este diferita in functie de ora in functie de anotimp

67 Sisteme motorizate de urmarire a soarelui o axa doua axe Reglaj fix (optim an) doua pozitii (anotimp)

68

69 Panourile se orienteaza spre sud (geografic) Inclinarea pe verticala se poate calcula din considerente geometrice astronomice

70

71 depinde de tipul de sistem solar cu concentrare fara concentrare depinde de conditii meteorologice

72

73 Month H h H opt H(90) DNI I opt T 24h Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Year

74 Mont h H h H opt H(90) DNI I opt T 24h Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Year H h : Irradiation on horizontal plane (Wh/m 2 /day) H opt : Irradiation on optimally inclined plane (Wh/m 2 /day) H(90): Irradiation on plane at angle: 90deg. (Wh/m 2 /day) DNI: Direct normal irradiation (Wh/m 2 /day) I opt : Optimal inclination (deg.) T 24h : 24 hour average of temperature ( C)

75

76 Schimbare de: adresa aplicatie Alte modalitati de prezentare a rezultatelor acces la date individuale unitati de masura diferite (kwh/m 2 /luna) lipsesc unele date (unghi optim lunar, H90)

77

78 Month H h H opt DNI D/G T 24h Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

79 Month H h H opt DNI D/G T 24h Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

80 Month H h H opt DNI D/G T 24h Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Hh: Irradiation on horizontal plane (kwh/m2/month) Hopt: Irradiation on optimally inclined plane (kwh/m2/month) DNI: Direct normal irradiation (kwh/m2/month) D/G: Ratio of diffuse to global irradiation (-) T24h: 24 hour average of temperature ( ー C)

81 Laboratorul de microunde si optoelectronica MIT Course Number Fundamentals of Photovoltaics