William Sandqvist william@kth.se Optokomponenter Alla halvledarkomponenter har optiska egenskaper och detta utnyttjas numera i en rad viktiga komponenter. ( När de optiska egenskaperna är oönskade måste man se till att kapsla halvledarna i ljustäta höljen. ) William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Fotodiod och fotocell Om man belyser en PN-övergång i en kiselkristall så förändras diodkurv-an ( se figuren ). Kurvan förskjuts nedåt till kvadrant tre och fyra, som den undre kurvan visar. I kvadrant tre kallas dioden för fotodiod. Fotodioden släpper igenom en backström som är proportionell mot ljusstyrkan från svag belysning till mycket stora ljusstyrkor. I kvadrant fyra "driver" diodspänningen strömmen i riktning ut ur dioden. Dioden arbetar som en fotocell ( solcell ). Om en diod arbetar som fotodiod eller som fotocell avgörs av hur den kopplas in i den elektriska kretsen. William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Solcellen Dioder, PN-övergångar som exponeras för solljus kan an-vändas som "batterier". En del av det ljus som faller in mot dioden omvandlas till elektrisk energi som kan driva olika elektriska utrustningar. När en foton träffar en diod, kan flera saker hända. a) Om fotonen har samma energi som kiselkristallens bandgap förflyttas en elektron från valensbandet till ledningsbandet. Elektronerna i ledningsbandet driver en ström i riktning ut ur dioden. Fotonens hela energi ombildas till elektrisk energi. b) Det finns även fotoner med högre energi. Överskottsenergi kan inte tillgodogöras av dioden, utan absorberas som värme i kiselkristallen. c) Större delen av det solljus som infaller har fotoner med lägre energi kisels bandgap. All fotonernas energi absorberas då som värme William Sandqvist william@kth.se

Solcellens verkningsgrad Av detta framgår att solceller av kisel av nödvändighet har dålig verkningsgrad. Vid överslagsberäkningar kan man utgå ifrån att solens strålning vid jordytan motsvarar c:a 1000 W/m2 och med en verkningsgrad om högst 30%, kan en solcell som mest leverera 300 W/m2 elektrisk effekt. William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Solpanelens effekt En solpanel består av 4×9 = 36 st seriekopplade solceller. Varje solcell är i princip en kiseldiod Pmax "rektangel" för maximal effekt U = 36×0,47 = 17 V I = 3 A P = 17×3 = 51 W William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Lysdioden En del ledningselektroner kommer att "ramla ner i hål". De kommer då då att avge en foton, ett ljus-kvanta. De vanliga halvledarna ger långvågig värmestrålning, inte synligt ljus. I stället mixar man Gallium med Arsenik till en ”konstgjord” halvledare, GaAs. För rött ljus dopar man med Al. För grönt ljus dopar man med GaP. Blått ljus har varit svårast att framställa. Man dopar med GaN. William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se RGB Intresset för färgerna rött grönt och blått hänger ihop med att de är de grundfärger som behövs för att "blanda" till alla övriga färger. William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Vitt ljus I trafiksignalerna ersätter man 150 W glödlampor med 15 W lysdiodsmoduler. Livslängden blir 10 ggr. längre, och energibesparingen blir betydande. William Sandqvist william@kth.se

Lysdiod – Fotodiod kombinationskomponenter Reflexdetektor Läsgaffel William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Diodlasern Strömmen genom dioden är hög. Många ledningselektroner som är på väg att "falla ner" i hål hinner stimuleras av den stående ljusvågen till att göra detta samtidigt. Resultatet blir en förstärkt ljusstråle där alla fotoner är i fas - Laserljus! Spegeln på diodens ena kortsida är bara "halvgenomskinlig" så här kan större delen av ljusstrålen lämna laserdioden. Avståndet mellan speglarna är anpassat så att det rymms ett helt antal våglängder av det utsända ljuset. Här blir det en "stående våg" av ljus. William Sandqvist william@kth.se

William Sandqvist william@kth.se Lasermodul Laserstrålen focuseras med en lins. Laserdiodens uteffekt måste regleras. En in-byggd fotodiod mäter därför det utgående laserljuset. William Sandqvist william@kth.se