Elettronica di base - Diodi optoelettronici

Questi sono i diodi che funzionano con la luce. La parola "Opto" significaLight. Ci sono tipi che conducono a seconda dell'intensità della luce e altri tipi la cui conduzione fornisce una certa luce. Ogni tipo ha applicazioni proprie. Parliamo dei tipi più importanti tra questi.

Alcuni diodi si comportano in base all'intensità della luce che cade su di essi. Esistono due tipi principali di diodi in questa categoria. Sono diodi foto e celle solari.

Fotodiodo

Il fotodiodo, come suggerisce il nome, è una giunzione PN che funziona sulla luce. L'intensità della luce influisce sul livello di conduzione in questo diodo. Il fotodiodo ha un materiale di tipo P e un materiale di tipo N con estensioneintrinsic materiale o a depletion region nel mezzo.

Questo diodo è generalmente utilizzato reverse biascondizione. La luce quando focalizzata sulla regione di esaurimento, si formano coppie elettrone-lacuna e si verifica il flusso di elettroni. Questa conduzione degli elettroni dipende dall'intensità della luce focalizzata. La figura seguente mostra un pratico fotodiodo.

La figura seguente indica il simbolo di un fotodiodo.

Quando il diodo è collegato in polarizzazione inversa, scorre una piccola corrente di saturazione inversa a causa delle coppie di lacune elettroniche generate termicamente. Poiché la corrente in polarizzazione inversa fluisce a causa di portatori minoritari, la tensione di uscita dipende da questa corrente inversa. All'aumentare dell'intensità della luce focalizzata sulla giunzione, aumenta il flusso di corrente dovuto ai portatori minoritari. La figura seguente mostra la disposizione di polarizzazione di base di un fotodiodo.

Il fotodiodo è incapsulato in un involucro di vetro per consentire alla luce di cadere su di esso. Per focalizzare la luce esattamente sulla regione di esaurimento del diodo, una lente è posta sopra la giunzione, proprio come illustrato sopra.

Anche quando non c'è luce, scorre una piccola quantità di corrente che viene definita come Dark Current. Modificando il livello di illuminazione, è possibile modificare la corrente inversa.

Vantaggi del diodo fotografico

Il fotodiodo presenta molti vantaggi come:

• Rumore basso
• Alto guadagno
• Funzionamento ad alta velocità
• Alta sensibilità alla luce
• A basso costo
• Taglia piccola
• Lunga durata

Applicazioni del diodo fotografico

Esistono molte applicazioni per i fotodiodi come:

• Rilevamento dei caratteri
• Gli oggetti possono essere rilevati (visibili o invisibili).
• Utilizzato in circuiti che richiedono elevata stabilità e velocità.
• Utilizzato nella demodulazione
• Utilizzato nei circuiti di commutazione
• Utilizzato negli encoder
• Utilizzato in apparecchiature di comunicazione ottica

Un altro diodo di questo tipo è la cella solare. È definito come una cella sebbene sia un diodo. Entriamo nei dettagli.

Celle a energia solare

I diodi dipendenti dalla luce includono la cella solare, che è un normale diodo a giunzione PN ma ha la sua conduzione tramite il flusso di fotoni che vengono convertiti nel flusso di elettroni. È simile a un fotodiodo, ma ha un altro obiettivo di convertire la massima luce incidente in energia e immagazzinarla.

La figura sotto rappresenta il simbolo di una cella solare.

Una cella solare ha il nome e il simbolo che indica lo stoccaggio di energia sebbene sia un diodo. La caratteristica di estrarre più energia e immagazzinarla è concentrata nella cella solare.

Costruzione di una cella solare

Un diodo a giunzione PN con un materiale intrinseco nella regione di delezione viene fatto incapsulare in un vetro. La luce è fatta incidente sulla massima superficie possibile con vetri sottili sulla parte superiore in modo da raccogliere la massima luce con la minima resistenza.

La figura seguente mostra la costruzione di una cella solare.

Quando la luce colpisce la cella solare, i fotoni nella luce entrano in collisione con gli elettroni di valenza. Gli elettroni vengono eccitati per lasciare gli atomi genitori. Così viene generato un flusso di elettroni e questa corrente è direttamente proporzionale all'intensità della luce focalizzata sulla cella solare. Questo fenomeno è chiamato come ilPhoto-Voltaic effect.

La figura seguente mostra l'aspetto di una cella solare e come un certo numero di celle solari insieme vengono realizzate per formare un pannello solare.

Differenza tra un fotodiodo e una cella solare

Photo Diode funziona più velocemente e si concentra sulla commutazione piuttosto che fornire più potenza all'uscita. Per questo motivo ha un valore di capacità basso. Anche l'area di incidenza dell'energia luminosa è minore nel fotodiodo, a seconda delle sue applicazioni.

Una cella solare si concentra sulla fornitura di energia ad alto rendimento e sull'immagazzinamento dell'energia. Questo hahigh capacitancevalore. L'operazione è un po 'più lenta del fotodiodo. Secondo lo scopo della cella solare, l'area di incidenza della luce è maggiore del fotodiodo.

Applicazioni della cella solare

Ci sono molte applicazioni per celle solari come:

Science and Technology

• Utilizzato nei pannelli solari per satelliti
• Utilizzato nella telemetria
• Utilizzato in sistemi di illuminazione remota ecc.

Commercial Use

• Utilizzato nei pannelli solari per lo stoccaggio di elettricità
• Utilizzato in alimentatori portatili ecc.
• Utilizzato in usi domestici come cucinare e riscaldare utilizzando l'energia solare

Electronic

• Watches
• Calculators
• Giocattoli elettronici, ecc.

Alcuni diodi emettono luce in base alla tensione applicata. Esistono due tipi principali di diodi in questa categoria. Sono LED e diodi laser.

LED (diodi emettitori di luce)

Questo è il diodo più popolare utilizzato nella nostra vita quotidiana. Anche questo è un normale diodo a giunzione PN tranne per il fatto che invece di silicio e germanio, nella sua costruzione vengono utilizzati materiali come arseniuro di gallio, fosfuro di arseniuro di gallio.

La figura seguente mostra il simbolo di un diodo luminoso.

Come un normale diodo a giunzione PN, questo è collegato in condizione di polarizzazione diretta in modo che il diodo conduca. La conduzione avviene in un LED quando gli elettroni liberi nella banda di conduzione si combinano con i buchi nella banda di valenza. Questo processo di ricombinazione emettelight. Questo processo è chiamato comeElectroluminescence. Il colore della luce emessa dipende dallo spazio tra le bande di energia.

I materiali utilizzati influenzano anche i colori come, il fosfuro di arseniuro di gallio emette rosso o giallo, il fosfuro di gallio emette rosso o verde e il nitrato di gallio emette luce blu. Mentre l'arseniuro di gallio emette luce infrarossa. I LED per luce infrarossa non visibile sono utilizzati principalmente nei telecomandi.

La figura seguente mostra l'aspetto dei pratici LED di diversi colori.

Il LED nella figura sopra ha il lato piatto e il lato curvo, il cavo sul lato piatto è più corto dell'altro, in modo da indicare che quello più corto è Cathode o terminale negativo e l'altro è Anode o il terminale positivo.

La struttura di base del LED è come mostrato nella figura seguente.

Come mostrato nella figura sopra, quando gli elettroni saltano nei buchi, l'energia viene dissipata spontaneamente sotto forma di luce. Il LED è un dispositivo dipendente dalla corrente. L'intensità della luce in uscita dipende dalla corrente attraverso il diodo.

Vantaggi del LED

Ci sono molti vantaggi del LED come:

• Alta efficienza
• Alta velocità
• Alta affidabilità
• Bassa dissipazione del calore
• Maggiore durata della vita
• A basso costo
• Facilmente controllabile e programmabile
• Elevati livelli di luminosità e intensità
• Requisiti di bassa tensione e corrente
• Meno cablaggio richiesto
• Basso costo di manutenzione
• Nessuna radiazione UV
• Effetto di illuminazione istantaneo

Applicazioni del LED

Esistono molte applicazioni per LED come:

In Displays

• Particolarmente utilizzato per display a sette segmenti
• Orologi digitali
• Forni a microonde
• Segnalazione stradale
• Tabelloni nelle ferrovie e nei luoghi pubblici
• Toys

In Electronic Appliances

• Sintonizzatori stereo
• Calculators
• Alimentatori DC
• Indicatori di accensione / spegnimento negli amplificatori
• Indicatori di alimentazione

Commercial Use

• Macchine leggibili a infrarossi
• Lettori di codici a barre
• Display video a stato solido

Optical Communications

• Nelle applicazioni di commutazione ottica
• Per accoppiamento ottico dove la guida manuale non è disponibile
• Trasferimento delle informazioni tramite FOC
• Circuiti di rilevamento dell'immagine
• Allarmi antifurto
• Nelle tecniche di segnalamento ferroviario
• Porte e altri sistemi di controllo di sicurezza

Proprio come il LED ha molti vantaggi e applicazioni, esiste un altro diodo importante chiamato diodo laser, che ha anche molte caratteristiche avanzate e possibilità di futuro. Parliamo del diodo laser.

Diodo laser

Il diodo laser è un altro diodo popolare per il suo genere. Questo è un diodo ottico che emette luce ma con processo stimolato. Il nomeLASER implica Light Amplificazione di Stimulato Emissione di Radiazione.

Emissione stimolata

Questo è un diodo a giunzione PN la cui azione inizia quando un raggio di luce è incidente su di esso. Con un raggio di luce, quando i fotoni si incidenti su un atomo, l'atomo si eccita e raggiunge un livello superiore che può essere definito come unHigher Energy Level.

L'atomo quando passa dal livello di energia superiore a a Lower Energy Level, rilascia two photons quali sono similar in characteristics al fotone incidente e sono dentro equal phasead esso. Questo processo è chiamato comeStimulated Emission. Un atomo può generalmente rimanere in questo stato eccitato per10^-8 secs di tempo.

Quindi, il processo di cui sopra stabilisce il principio per il diodo laser.

Principio del diodo laser

Ogni volta che un fotone è incidente su un atomo, quell'atomo viene eccitato da uno stato di energia inferiore a uno stato di energia superiore e due fotoni vengono rilasciati in questo processo. In realtà, un atomo può generalmente rimanere in questo stato eccitato per10^-8secondi di tempo. Quindi, per ottenere l'amplificazione, durante questo processo eccitato, l'atomo viene fatto per essere posto in un altro stato chiamatoMeta Stable State che è al di sotto del livello di energia superiore e al di sopra del livello di energia inferiore.

Un atomo può rimanere in questo stato Meta stabile per 10^-3sec. Mentre l'atomo raggiunge lo stato inferiore da questo, vengono rilasciati due fotoni. Se nello stato eccitato è presente un numero maggiore di atomi, prima che i fotoni colpiscano gli atomi, allora abbiamo ilLasing Effect.

In questo processo, abbiamo due termini da capire. Avere più numero di atomi allo stato Meta Stabile rispetto allo stato di energia inferiore o stato fondamentale è chiamato comePopulation inversion. Quindi l'energia che consente agli atomi di inviare da uno stato di energia inferiore a uno stato di energia superiore per ottenere l'inversione della popolazione, è chiamata comePumping. Questo èOptical pumping.

Vantaggi

Ci sono molti vantaggi del diodo laser come:

• La potenza utilizzata dai diodi laser è molto inferiore
• Maggiore velocità di commutazione ON / OFF
• Più compatto
• Meno caro
• Sono più economici dei generatori laser
• Meno possibilità di fornire scosse elettriche

Svantaggi

Ci sono pochi svantaggi del diodo laser come:

• Raggi più divergenti e quindi la qualità non è così buona
• La loro durata è inferiore rispetto ai LED.
• È soggetto a danni in caso di alimentazione instabile

Applicazioni

Ci sono molte applicazioni del diodo laser come:

• Utilizzato come laser a pompa e laser a semi

• Utilizzato in dispositivi di archiviazione dati ottici

• Utilizzato in stampanti laser e fax laser

• Utilizzato nei puntatori laser

• Utilizzato nei lettori di codici a barre

• Sono utilizzati nelle unità DVD e CD

• Utilizzato nella tecnologia HD DVD e BLU RAY

• Ha molti scopi industriali come il trattamento termico, il rivestimento, la saldatura continua ecc.

• Ha molti usi nella tecnologia di comunicazione come il collegamento e la trasmissione dei dati.

Dopo aver esaminato tutto questo, proviamo a capire alcuni termini.

Componente

• I componenti sono i singoli elementi di base dell'elettronica.
• Hanno proprietà diverse rispetto alla loro costruzione.
• Ogni componente ha applicazioni diverse.

Ex - Resistore, condensatore, diodo ecc.

Circuito

• Un circuito è una rete di diversi componenti
• I componenti del circuito nel complesso sopravvivono a uno scopo prefissato.
• Se un circuito deve essere attivo, dovrebbe contenere una fonte di alimentazione.

Ex - circuiti clipper e clamper, circuiti amplificatori, circuiti relè ecc.

Dispositivo

• Un dispositivo è un'apparecchiatura composta da diversi circuiti.

• Tutti i circuiti nel dispositivo lo aiutano a funzionare per servire al suo scopo.

• Un dispositivo può essere utilizzato per misurare segnali, generare segnali, controllare i risultati o proteggere i circuiti e così via.

Ex - CRO, generatore di funzioni ecc.

Dispositivi a stato solido

In precedenza avevamo i tubi a vuoto, che funzionano secondo il principio termoionico e sono riempiti di vuoto all'interno. Erano di dimensioni maggiori rispetto ai componenti odierni. Questi tubi a vuoto sono stati sostituiti con dispositivi semiconduttori, chiamati anche comeSolid state devices.

Dispositivi attivi

I dispositivi (o precisamente i componenti) che possono controllare il flusso di corrente possono essere definiti dispositivi attivi.

• Richiedono un po 'di alimentazione in ingresso per entrare in conduzione.
• Il funzionamento di questi componenti definisce il comportamento del circuito.

Ex - Tubi a vuoto, diodi, transistor, SCR

Dispositivi passivi

I dispositivi (o precisamente i componenti) che non possono controllare il flusso di corrente possono essere definiti dispositivi passivi.

• Non richiedono alimentazione in ingresso per funzionare.
• Il funzionamento di questi componenti altera leggermente il comportamento del circuito.

Ex - Resistenza, condensatore, induttore ecc.

Doping

Il processo di aggiunta di elettroni o di creazione di buchi per alterare le caratteristiche del materiale semiconduttore, rendendolo più positivo o rendendolo più negativo può essere inteso come Doping.

Le applicazioni dei diodi includono molti circuiti a partire dai circuiti clipper e clamper, che saranno discussi nel tutorial CIRCUITI ELETTRONICI.