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1. Tema 6: DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS
6.1 Interacción entre los semiconductores y la luz.
Absorción de luz con generación luminosa de pares electrón‐hueco. Generación de luz por
recombinación radiativa de pares electrón‐hueco.
6.2 Fotorresistencias.
Modulación de la conductividad del semiconductor.
6.3 Fotodiodos.
Circuito equivalente y aplicaciones.
6.4 Diodos emisores de luz.
Emisión espontánea y estimulada. Diodos LED y láser.
6.5 La célula solar.
Circuito equivalente y parámetros de calidad. Descripción del estado del arte.
Introducción a las células avanzadas por división espectral
Introducción a las células avanzadas por división espectral.
6.6 El fototransistor.
Circuito equivalente y aplicaciones
Circuito equivalente y aplicaciones.

2. Semiconductores
≈5Å
(≈1022átomos/cm3
)
Sólidos cristalinos de enlace covalente
Red silicio
)
Banda de
conducción
EG
E
Banda de
energía
prohibida
E
Banda de
valencia
prohibida
Modelo de enlaces Modelo de bandas

3. Interacción de la luz con los semiconductores
G
E
h
E ≥
= ν
Se libera una energía EG en
forma de calor o por emisión
de un fotón de energía EG
En un trozo de semiconductor homogéneo iluminado generación =
recombinación. La conductividad aumenta → fotorresistencia.

4. Radiación
IRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m-2)
ESPECTRO:
POTENCIA LUMINOSA PL (W2)
600
g (W·m-2·eV-1)
4.5E+21
Nfot (fotones·s-1·m-2·eV-1)
ESPECTRO:
400
500
2 5E+21
3.0E+21
3.5E+21
4.0E+21
Sol
LED
Sol
200
300
1.0E+21
1.5E+21
2.0E+21
2.5E+21
LED
0
100
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
E (eV)
0.0E+00
5.0E+20
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
E (eV)
ENERGÍA DEL FOTÓN E = hν = hc/λ
E (eV) ( )
fotón
del
energía
fotones
de
Nº
×
=
P fotón
del
energía
tiempo
×
=
L
P

5. Optoelectrónica
Dispositivos optoelectrónicos: aprovechan la interacción entre radiación
luminosa y corriente eléctrica en materiales semiconductores
Potencia
luminosa
Detección Señalización
luminosa
Captación Emisión
Detección
Fotorresistencia
Fotodiodo
Señalización
Diodo LED
Potencia
eléctrica
Generación
Célula solar
Transmisión
Diodo LED, LASER
EC
L
EC
L
EV
Luz,
EV
Luz,

6. Fotorresistencias (LDR)
G
A
R
R
G
A ×
+
=
⇒
×
+
= −
−
2
1
0
1
1
0
σ
σ
Cambio de la conductividad de un semiconductor
2
0
1
0

7. El fotodiodo
Diodo de unión pn iluminado. La no
homogeneidad y los contactos metálicos
i l ió d l p
n
metal metal
permiten la separación de electrones y
huecos y su circulación por un circuito
externo.
p
n
i
+
iL = 0
iOSC
iL
v
i
iL1
v
iL2
_
i
V
v
I
i L
SAT −
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
= 1
exp
Región de trabajo
habitual de fotodiodos
G
S
A
i
V
L
t
×
×
=
⎥
⎦
⎢
⎣ ⎠
⎝

8. El fotodiodo
SiO2
p
G
Contactos
metálicos n
p

9. Fotodiodos comerciales

10. Análisis de circuitos con fotodiodos
Ejercicio 1. El circuito de la figura es un circuito detector de luz, habitualmente primera etapa
en aplicaciones de comunicaciones ópticas. Se pide:
a) Rango de valores de R para que el diodo esté en OFF con pL=5 mW
b) Para R=1 kW , varacterística de transferencia vO(pL)
c) Ganancia de pequeña señal vo/pl si pL(t)=PL+pl(t), con PL=5 mW
DATOS:VDD=5 V; Vg=0,6 V; |VZ|=4 V; S=0,5 A/W
VDD
vO
VDD
pL
vO
R

11. Ejemplo de aplicación con fotodiodos

12. Emisión de luz
EC
hν
EC
h
hν
EV
hν
EV
hν
hν
Espontánea
LED
Estimulada
LASER
Diodo Electroluminiscente - LED: Light Emitting Diode
Diodo láser - LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1
Vλ
0,8
0,6
0,4
0 2
555 700
600
500
400
λ (ηm)
0,2
0

13. Diodo LED
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
= 1
exp LED
S
LED
nV
v
I
i
+ ⎥
⎦
⎢
⎣ ⎠
⎝ t
nV
iLED
vLED
pE
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
×
=
≡ η LED
G
LED
LED i
E
Bi
p
_
1
<
=
=
⎟
⎠
⎜
⎝
η
η
η
LED
G
LED
LED
LED
energética
LED
LED
LED
qv
E
v
i
p
q
p
PLED (mW)
LED
LED
LED q
n
p 15
10
substrato 5
0
B
0
100 300 500 iLED (mA)

14. Algunas características
Estructuras optimizadas:
p
LED semiesférico
n
LED de emisión lateral
LED semiesférico LED de emisión lateral
LED encapsulado
Semiconductores III-V
GaAs ≈ 1,4 eV Infrarrojo
GaP ≈ 2 3 eV Visible (verde)
GaP ≈ 2,3 eV Visible (verde)
GaAs1-xPx → Variable

15. LEDs comerciales encapsulados

16. Análisis de circuitos con diodos LED
Ejercicio 2. Diseñe el optoacoplador de la figura de forma que una señal de entrada vI = 0-5 V se
reproduzca a la salida, siendo la corriente que pasa por el LED cuando emite de 10 mA.
DATOS V 2 V B 0 2 W/A V 0 6 V S 0 5 A/W V 10 V R l ió d
DATOS: VγLED = 2 V; BLED = 0.2 W/A; VγFD = 0,6 V; SFD=0.5 A/W; VCC = 10 V; Relación de
transferencia pFD/pLED = 1.
R1
FD
VCC
vI LED
FD
vO
R2
#
#

17. Ejemplo de aplicación con LEDs

18. Diodos láser
LED en una cavidad: se amplifican los
modos resonantes

19. La energía solar
IRRADIANCIA potencia por unidad de área G (kW·m-2) (≅1 kW·m-2 un día
p p ( ) (
despejado a mediodía)
g (W·m-2·eV-1) Nfot (fotones·s-1·m-2·eV-1)
ESPECTRO:
500
600
g ( )
3.5E+21
4.0E+21
4.5E+21
fot ( )
300
400
1 5E+21
2.0E+21
2.5E+21
3.0E+21
0
100
200
0.0E+00
5.0E+20
1.0E+21
1.5E+21
ENERGÍA DEL FOTÓN E = hν
0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
E (eV)
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
E (eV)
ALGUNAS CIFRAS:
En promedio, sobre la Tierra, 4 kWh·m-2/día. Con 10% de eficiencia…
Consumo de una familia: 50 m2
Consumo de una familia: 50 m
Central nuclear o de carbón de 1 GW: 60 km2 (7.5 km×7.5 km )
Consumo mundial de energía: menos que el área cubierta por carreteras

20. El efecto fotovoltaico y la célula solar
Un trozo de semiconductor homogéneo
Un trozo de semiconductor homogéneo
iluminado se calienta (Generación =
Recombinación).
metal metal
Diodo de unión pn iluminado. La no
homogeneidad y los contactos metálicos
permiten la separación de electrones y
huecos y su circulación por un circuito
p
n
huecos y su circulación por un circuito
externo.
El efecto fotovoltaico consiste en la conversión directa de
energía luminosa en energía eléctrica mediante los procesos
que ocurren en el interior de los semiconductores
q

21. El efecto fotovoltaico y la célula solar
1. GENERACIÓN. Un electrón adquiere la energía E=hν>EG de un fotón
Ó
TRES PROCESOS:
Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo
2. RECOMBINACIÓN. Un electrón cede la energía EG en forma de calor
3. CORRIENTE EXTERNA. Un electrón cede la energía qV < EG a la carga externa
Nº de generaciones = Nº de recombinaciones + Nº de electrones por circuito externo
Contacto n
3 R (carga)
Contacto p
EG qV<EG
1 2
Contacto p

22. La célula solar I
(3)
(1) (2)
(3)
( )
1
−
−
=
−
= t
V
V
SAT
L
D
L e
I
I
I
I
I ID
IL V
+
R
(1) (2)
(1) (2)
(3)
V
I
P M
M
eléctrica
_
(1) (2)
Cortocircuito
Punto de
máxima potencia
( ) L
SC I
I
V
I =
≡
= 0
G
A
P
M
M
×
=
=
luminosa
eléctrica
η
ISC
IM
p
I
( )
( )
1
ln
0
+
=
=
≡
=
SAT
L
t
OC
I
I
V
V
I
V
V
Circuito abierto
VM
VOC
V

23. Células solares industriales
Diodo de gran área con contacto frontal transparente
Célula de Si
100 μm
0.5 μm
μ
10 μm
0.2 cm
250 μm

24. I (A)
Parámetros de la célula. Condiciones estándar.
IL es proporcional al área y la
irradiancia y depende del material y el
espectro: sólo contribuyen los fotones
1 kW∙m‐2, 25 ºC
1 kW∙m‐2, 50 ºC
3
I (A)
1 kW∙m‐2, 25 ºC
1 kW m‐2 50 ºC
p y
con E=hν>EG
,
0.7 kW∙m‐2, 25 ºC
2
2.5 1 kW∙m 2, 50 ºC
0.7 kW∙m‐2, 25 ºC
S
P
G
S
A
I L
L ×
=
×
×
=
ISAT es proporcional al área y depende
del material y la temperatura
1
1.5
VOC depende del material (<EG/q) y
disminuye con la temperatura
V (V)
0.5
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
V (V)
Irradiancia, espectro y temperatura varían: definición de condiciones estándar de medida
C
T
G célula º
25
;
1.5
AM
espectro
;
kW·m
1 -2
=
=
Células industriales de silicio: %
16
;
V
620
.
0
;
A·cm
03
.
0 -2
≅
≅
≅ η
OC
L V
A
I

25. Ejercicio 1. Una célula solar equivale a un diodo en paralelo con un generador de
j q p g
corriente IL. El diodo se representa con un modelo lineal por tramos. En las
denominadas “Condiciones estándar de funcionamiento” (T = 25ºC, G=1kW/m2), se
tiene IL = 4.5 A, Vγ = 0.6 V, Rf = 10 mΩ
γ f
a) Dibuje la característica I-V de la célula.
b) Señale el punto correspondiente al cortocircuito en la característica ¿Cuál es la
corriente de cortocircuito de la célula? ¿En qué estado se encuentra el diodo?
c) Señale el punto correspondiente al circuito abierto en la característica ¿Cuál es el
voltaje de circuito abierto de la célula? ¿En qué estado se encuentra el diodo?
d) C l l l t i á i d l él l bti d l
d) Calcule la potencia máxima que puede generar la célula, que se obtiene cuando el
diodo trabaja en el límite entre los estados de ON y de OFF, y su eficiencia.
e) Calcule la resistencia de carga que habría que poner en los terminales de la célula
para que trabajase entregando la máxima potencia
para que trabajase entregando la máxima potencia.
f) Repita los apartados a-e si la irradiancia es de 0.8 KW/m2 la temperatura de la
célula de 50 ºC
DATOS: A = 150 cm2; dVγ/dT= -2 mV/ºC

26. El módulo fotovoltaico
Nivel adecuado de V, I y P: asociación de células en serie y
paralelo
Protege las células de la intemperie (humedad, fatiga térmica,
radiación UV, abrasión)
Aislamiento eléctrico y rigidez estructural
marco de aluminio
vidrio
junta de silicona
encapsulante
encapsulante
plástico
célula
célula

27. Ejercicio 2. Un módulo fotovoltaico contiene 72 células como las del ejercicio 1, conectadas en
dos series de 36 y éstas a su vez en paralelo.
a) En condiciones estándar, diga cuál es la corriente de cortocircuito, el voltaje de máxima
potencia la potencia máxima y la eficiencia del módulo y con qué resistencia de carga se
potencia, la potencia máxima y la eficiencia del módulo y con qué resistencia de carga se
obtendría. Esboce su característica I-V.
b) El módulo está cargando una batería de tensión VBAT=14V. Dibuje el circuito, represente la
característica I-V de la batería sobre la del módulo y calcule el valor de la corriente y la
tensión de éste.
c) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento en
c) ¿Cuánta carga ha entregado el módulo a la batería en tres horas de funcionamiento en
condiciones estándar? ¿Cuánta energía?

28. Fototransistor npn
i
Luz
C
iC
Pl
C
iC
s Pl
E
C
B
↔
E
iE E
i
l
↔
E
Fototransistor
Fototransistor:
E
iE
Luz
Fototransistor:
Transistor de oscuridad +
Fuente de corriente
• Un fototransistor es un transistor bipolar bajo iluminación en la unión Base‐Colector y
anulando el terminal de base.
• La unión base colector se comporta como un fotodiodo
• La unión base colector se comporta como un fotodiodo
• El fototransistor equivale a un transistor bipolar en oscuridad con una fuente de
corriente entre Base y Colector

29. Fototransistor
Aproximación en activa con las ecuaciones Ebers‐Moll
Ejemplo: npn
iC
iC
B
C
s pL
C
iC
C
iC
iC
βF iB
iB
B
s pL
s(1+βf) pL
B
iB
E
E
iE
E
Dispositivo de dos terminales → 1 ecuación característica:
iC=A pL donde A es una constante A=s (1+βf), es decir es una fuente de
corriente cuyo valor depende de la potencia luminosa incidente pL.
y p p pL
Se comporta como el fotodiodo en inversa con una α mayor

30. Fototransistor pnp
E
i
en activa
E
iE
E
iE
Pl α Pl E
↔
C
iC
C
i i
α(1+βf) Pl
iC
Fototransistor Fototransistor:
T i t d id d +
iC
C
Transistor de oscuridad +
Fuente de corriente

31. Aplicación: optoacoplador (también llamado optoaislador)
(Este
IF
(
empaquetado trae
dos
optoacopladores)
Característica de entrada
Característica de salida:
Característica de entrada
(Curva I-V del diodo LED)
Corriente del
diodo LED como
parámetro