Électronique de base - Diodes optoélectroniques

Ce sont les diodes qui fonctionnent à la lumière. Le mot «Opto» signifieLight. Il existe des types dont la conduction dépend de l'intensité lumineuse et d'autres types dont la conduction délivre de la lumière. Chaque type a ses propres applications. Laissez-nous discuter des types importants parmi ceux-ci.

Certaines diodes conduisent en fonction de l'intensité de la lumière qui leur tombe dessus. Il existe deux principaux types de diodes dans cette catégorie. Ce sont des photodiodes et des cellules solaires.

Diode photo

La photodiode, comme son nom l'indique, est une jonction PN qui fonctionne sur la lumière. L'intensité de la lumière affecte le niveau de conduction dans cette diode. La photodiode a un matériau de type P et un matériau de type N avec unintrinsic matériel ou un depletion region entre.

Cette diode fonctionne généralement en reverse biasétat. La lumière lorsqu'elle est focalisée sur la région d'appauvrissement, des paires électron-trou se forment et un flux d'électrons se produit. Cette conduction d'électrons dépend de l'intensité de la lumière focalisée. La figure ci-dessous montre une diode photo pratique.

La figure ci-dessous indique le symbole d'une photodiode.

Lorsque la diode est connectée en polarisation inverse, un petit courant de saturation inverse circule en raison de paires de trous d'électrons générées thermiquement. Comme le courant en polarisation inverse circule en raison de porteurs minoritaires, la tension de sortie dépend de ce courant inverse. Au fur et à mesure que l'intensité lumineuse focalisée sur la jonction augmente, le flux de courant dû aux porteurs minoritaires augmente. La figure suivante montre la disposition de polarisation de base d'une photodiode.

La photodiode est encapsulée dans un emballage en verre pour permettre à la lumière de tomber dessus. Afin de focaliser la lumière exactement sur la région d'appauvrissement de la diode, une lentille est placée au-dessus de la jonction, comme illustré ci-dessus.

Même quand il n'y a pas de lumière, une petite quantité de courant circule qui est appelée Dark Current. En modifiant le niveau d'éclairage, le courant inverse peut être modifié.

Avantages de la photodiode

La photodiode présente de nombreux avantages tels que -

• Faible bruit
• Gain élevé
• Fonctionnement à grande vitesse
• Haute sensibilité à la lumière
• À bas prix
• Petite taille
• Longue durée de vie

Applications de la photodiode

Il existe de nombreuses applications pour la photodiode telles que -

• Détection de caractères
• Les objets peuvent être détectés (visibles ou invisibles).
• Utilisé dans les circuits qui nécessitent une stabilité et une vitesse élevées.
• Utilisé dans la démodulation
• Utilisé dans les circuits de commutation
• Utilisé dans les encodeurs
• Utilisé dans les équipements de communication optique

Une autre diode de ce type est la cellule solaire. Il est appelé cellule bien qu'il s'agisse d'une diode. Entrons dans les détails.

Cellule photovoltaïque

Les diodes dépendant de la lumière comprennent la cellule solaire, qui est une diode à jonction PN normale mais qui a sa conduction par la ruée vers les photons qui sont convertis en flux d'électrons. Ceci est similaire à une photodiode mais il a un autre objectif de convertir la lumière incidente maximale en énergie et de la stocker.

La figure ci-dessous représente le symbole d'une cellule solaire.

Une cellule solaire a son nom et son symbole indiquant le stockage d'énergie bien qu'il s'agisse d'une diode. La particularité d'extraire plus d'énergie et de la stocker est concentrée dans la cellule solaire.

Construction d'une cellule solaire

Une diode à jonction PN avec un matériau intrinsèque dans la région de suppression est faite pour encapsuler dans un verre. La lumière est faite pour arriver sur une zone maximale possible avec un verre mince sur le dessus de manière à collecter un maximum de lumière avec une résistance minimale.

La figure suivante montre la construction d'une cellule solaire.

Lorsque la lumière est incidente sur la cellule solaire, les photons de la lumière entrent en collision avec des électrons de valence. Les électrons sont excités pour quitter les atomes parents. Ainsi un flux d'électrons est généré et ce courant est directement proportionnel à l'intensité lumineuse focalisée sur la cellule solaire. Ce phénomène est appelé comme lePhoto-Voltaic effect.

La figure suivante montre à quoi ressemble une cellule solaire et comment un certain nombre de cellules solaires sont réunies pour former un panneau solaire.

Différence entre une photodiode et une cellule solaire

La diode photo fonctionne plus rapidement et se concentre sur la commutation plutôt que de fournir plus de puissance à la sortie. Il a une faible valeur de capacité à cause de cela. De plus, la zone d'incidence de l'énergie lumineuse est moindre en photodiode, en fonction de ses applications.

Une cellule solaire se concentre sur la fourniture d'énergie à haut rendement et le stockage de l'énergie. Cela ahigh capacitancevaleur. L'opération est un peu plus lente que la photodiode. Selon le but de la cellule solaire, la zone d'incidence de la lumière est plus grande que la photodiode.

Applications de la cellule solaire

Il existe de nombreuses applications pour les cellules solaires telles que -

Science and Technology

• Utilisé dans les panneaux solaires pour les satellites
• Utilisé en télémétrie
• Utilisé dans les systèmes d'éclairage à distance, etc.

Commercial Use

• Utilisé dans les panneaux solaires pour le stockage de l'électricité
• Utilisé dans les alimentations portables, etc.
• Utilisé dans les usages ménagers tels que la cuisine et le chauffage à l'énergie solaire

Electronic

• Watches
• Calculators
• Jouets électroniques, etc.

Certaines diodes émettent de la lumière en fonction de la tension appliquée. Il existe deux principaux types de diodes dans cette catégorie. Ce sont des LED et des diodes laser.

LED (diodes électroluminescentes)

Celle-ci est la diode la plus utilisée dans notre vie quotidienne. Il s'agit également d'une diode à jonction PN normale, sauf qu'au lieu du silicium et du germanium, des matériaux comme l'arséniure de gallium, le phosphure d'arséniure de gallium sont utilisés dans sa construction.

La figure ci-dessous montre le symbole d'une diode électroluminescente.

Comme une diode à jonction PN normale, celle-ci est connectée en polarisation directe de sorte que la diode soit conductrice. La conduction a lieu dans une LED lorsque les électrons libres de la bande de conduction se combinent avec les trous de la bande de valence. Ce processus de recombinaison émetlight. Ce processus est appelé commeElectroluminescence. La couleur de la lumière émise dépend de l'écart entre les bandes d'énergie.

Les matériaux utilisés agissent également sur les couleurs comme, le phosphure d'arséniure de gallium émet soit du rouge soit du jaune, le phosphure de gallium émet soit du rouge soit du vert et le nitrate de gallium émet une lumière bleue. Alors que l'arséniure de gallium émet une lumière infrarouge. Les LED pour la lumière infrarouge non visible sont principalement utilisées dans les télécommandes.

La figure suivante montre à quoi ressemblent les LED pratiques de différentes couleurs.

La LED de la figure ci-dessus a un côté plat et un côté incurvé, le fil du côté plat est rendu plus court que l'autre, de manière à indiquer que le plus court est Cathode ou borne négative et l'autre est Anode ou la borne positive.

La structure de base des LED est illustrée dans la figure ci-dessous.

Comme le montre la figure ci-dessus, lorsque les électrons sautent dans les trous, l'énergie se dissipe spontanément sous forme de lumière. La LED est un appareil dépendant du courant. L'intensité lumineuse de sortie dépend du courant traversant la diode.

Avantages de la LED

Il existe de nombreux avantages de la LED tels que -

• Haute efficacité
• Haute vitesse
• Grande fiabilité
• Faible dissipation thermique
• Durée de vie plus longue
• À bas prix
• Facilement contrôlé et programmable
• Niveaux élevés de luminosité et d'intensité
• Exigences de basse tension et de courant
• Moins de câblage requis
• Faible coût de maintenance
• Pas de rayonnement UV
• Effet d'éclairage instantané

Applications de la LED

Il existe de nombreuses applications pour les LED telles que -

In Displays

• Particulièrement utilisé pour l'affichage à sept segments
• Horloges numériques
• Four à micro-ondes
• Signalisation routière
• Panneaux d'affichage dans les chemins de fer et les lieux publics
• Toys

In Electronic Appliances

• Tuners stéréo
• Calculators
• Alimentations DC
• Indicateurs marche / arrêt dans les amplificateurs
• Indicateurs de puissance

Commercial Use

• Machines à lecture infrarouge
• Lecteurs de codes à barres
• Écrans vidéo à semi-conducteurs

Optical Communications

• Dans les applications de commutation optique
• Pour le couplage optique où l'aide manuelle n'est pas disponible
• Transfert d'informations via FOC
• Circuits de détection d'image
• Alarmes antivol
• Dans les techniques de signalisation ferroviaire
• Porte et autres systèmes de contrôle de sécurité

Tout comme la LED présente de nombreux avantages et applications, il existe une autre diode importante appelée diode laser, qui possède également de nombreuses fonctionnalités avancées et une portée d'avenir. Laissez-nous discuter de la diode laser.

Diode laser

La diode laser est une autre diode populaire pour son genre. Il s'agit d'une diode optique qui émet de la lumière mais avec un processus stimulé. Le nomLASER implique Light Amplification par Stimulé Emission de Radiation.

Émission stimulée

Il s'agit d'une diode à jonction PN dont l'action démarre lorsqu'un rayon lumineux y est incident. Avec un rayon lumineux, lorsque des photons incidentent sur un atome, l'atome est excité et il atteint un niveau supérieur qui peut être appeléHigher Energy Level.

L'atome passe du niveau d'énergie supérieur à un Lower Energy Level, il libère two photons qui sont similar in characteristics au photon incident et sont en equal phaseà lui. Ce processus est appelé commeStimulated Emission. Un atome peut généralement rester dans cet état excité pendant10^-8 secs de temps.

Ainsi, le processus ci-dessus définit le principe de la diode laser.

Principe de la diode laser

Chaque fois qu'un photon est incident sur un atome, cet atome est excité d'un état d'énergie inférieure à un état d'énergie plus élevée et deux photons sont libérés dans ce processus. En fait, un atome peut généralement rester à cet état excité pendant10^-8secondes de temps. Ainsi, afin d'obtenir une amplification, pendant ce processus excité, l'atome est amené à être placé dans un autre état appeléMeta Stable State qui est en dessous du niveau d'énergie supérieur et au-dessus du niveau d'énergie inférieur.

Un atome peut rester dans cet état stable Meta pendant 10^-3secondes. Pendant que l'atome atteint l'état inférieur à partir de cela, deux photons sont libérés. S'il y a plus d'atomes dans l'état excité, avant que les photons ne frappent les atomes, alors nous avons leLasing Effect.

Dans ce processus, nous avons deux termes à comprendre. Avoir plus d'atomes à l'état Meta Stable que l'état d'énergie inférieure ou l'état fondamental est appeléPopulation inversion. Ensuite, l'énergie qui permet aux atomes d'envoyer d'un état d'énergie inférieure à un état d'énergie plus élevée pour réaliser l'inversion de population, est appelée commePumping. C'estOptical pumping.

Avantages

Il existe de nombreux avantages de la diode laser tels que -

• La puissance utilisée par les diodes laser est bien moindre
• Vitesse de commutation ON / OFF plus élevée
• Plus compact
• Moins cher
• Ils sont moins chers que les générateurs laser
• Moins de chances de fournir des chocs électriques

Désavantages

Il y a peu d'inconvénients de la diode laser tels que -

• Plus de rayons divergents et donc la qualité n'est pas si bonne
• Leur durée de vie est inférieure à celle des LED.
• Sujette aux dommages lors d'alimentations instables

Applications

Il existe de nombreuses applications de la diode laser telles que -

• Utilisé comme pompe-laser et laser de semence

• Utilisé dans les périphériques de stockage de données optiques

• Utilisé dans les imprimantes laser et les télécopieurs laser

• Utilisé dans les pointeurs laser

• Utilisé dans les lecteurs de codes à barres

• Ils sont utilisés dans les lecteurs de DVD et de CD

• Utilisé dans la technologie HD DVD et BLU RAY

• A de nombreuses fins industrielles telles que le traitement thermique, le revêtement, le soudage de couture, etc.

• A de nombreuses utilisations dans les technologies de communication telles que la liaison et la transmission de données.

Après avoir parcouru tout cela, essayons de comprendre quelques termes.

Composant

• Les composants sont les éléments de base individuels de l'électronique.
• Ils ont des propriétés différentes en ce qui concerne leur construction.
• Chaque composant a des applications différentes.

Ex - Résistance, condensateur, diode, etc.

Circuit

• Un circuit est un réseau de différents composants
• Les composants du circuit, ensemble, survivent à un objectif prévu.
• Si un circuit doit être actif, il doit contenir une source d'alimentation.

Ex - circuits de clipper et de clamper, circuits d'amplification, circuits de relais, etc.

Dispositif

• Un appareil est un équipement composé de différents circuits.

• Tous les circuits de l'appareil l'aident à fonctionner pour atteindre son objectif.

• Un appareil peut être utilisé pour mesurer des signaux, générer des signaux, contrôler les résultats ou protéger les circuits, etc.

Ex - CRO, générateur de fonctions, etc.

Appareils à semi-conducteurs

Auparavant, nous avions des tubes à vide, qui fonctionnent sur le principe thermo-ionique et sont remplis de vide à l'intérieur. Ils étaient plus gros que les composants actuels. Ces tubes à vide ont été remplacés par des dispositifs à semi-conducteurs, également appelésSolid state devices.

Appareils actifs

Les dispositifs (ou précisément les composants) qui peuvent contrôler le flux de courant peuvent être appelés dispositifs actifs.

• Ils nécessitent une alimentation d'entrée pour entrer en conduction.
• Le fonctionnement de ces composants définit le comportement du circuit.

Ex - Tubes à vide, diodes, transistors, SCR

Dispositifs passifs

Les dispositifs (ou précisément les composants) qui ne peuvent pas contrôler le flux de courant peuvent être qualifiés de dispositifs passifs.

• Ils ne nécessitent pas d'alimentation d'entrée pour fonctionner.
• Le fonctionnement de ces composants modifie légèrement le comportement du circuit.

Ex - Résistance, condensateur, inducteur, etc.

Se doper

Le processus d'ajout d'électrons ou de création de trous pour modifier les caractéristiques du matériau semi-conducteur, soit en rendant plus positif ou en rendant plus négatif peut être compris comme Doping.

Les applications des diodes incluent de nombreux circuits à partir de circuits de clipper et de clamper, qui seront discutés dans le tutoriel CIRCUITS ÉLECTRONIQUES.