30 3 DISPOSITIVOS OPTOELETRÔNICOS 3.1. Dispsitivs Opteletrônics Básics O camp mdern da pteletrônica é extremamente vast, abrangend estud ds dispsitivs cuj funcinament envlve fenômens óptics e elétrics, cm s diverss tips de células ftssensíveis, geradres de luz, mduladres, displays, etc. Ns restringirems a estud ds dispsitivs emissres e detectres de luz. Dispsitivs Emissres: Estes dispsitivs transfrmam a energia elétrica em energia luminsa. Emitem luz a serem ativads pela energia elétrica. Nesta classe estã s dids LED (Light Emitter Dide) e s LASER (Light Amplificatin by Stimulated Emissin f Radiatin). Dispsitivs Detectres: Estes dispsitivs geram um pequen sinal elétric a serem iluminads, transfrmand, assim, a energia luminsa em energia elétrica. 3.2. Did Emissr de Luz (LED) Os dids emissres de luz (LED) sã aqueles que sã dispníveis sb a frma de luzes pequenas clridas que se vêm ns equipaments pteletrônics, dispsitivs de casa, brinqueds, e em muits utrs lugares. Os dids emissres de luz sã diferentes ds bulbs rdináris prque nã têm um filament a quebrar u se queimar, pel qual geram puc calr. (Rezende, 1996). Os dids emissres de luz sã dids que têm efeit de prduzir luz quand a eletricidade fluir através dele. Os dids têm a prpriedade que deixam fluir a crrente (eletricidade) smente em um sentid e nã n utr. Ns terms mais simples, um did emissr de luz é uma junçã de dis tips diferentes de
31 materiais semicndutres, esta junçã é chamada junçã n-p. Tant material tip n quant d tip p sã frmads pela adiçã de um númer predeterminad de átms de impureza n material semicndutr alterand significativamente as características d material semicndutr.(bylestad, 1994). Figura 11- Dids emissres de luz (LED). O material tip n cntém impurezas dispersas cm cinc elétrns de valência, cm antimôni, arsênic e fósfr. Estas impurezas sã chamadas de átms dadres, prque cntribui cm um elétrn relativamente livre para a estrutura. O material tip p cntém impurezas cm três elétrns de valência, cm br, gáli e índi. Estas impurezas sã chamadas de átms aceitadres, prque númer de elétrns é insuficiente para cmpletar as ligações cvalentes da rede, resultand um burac que irá aceitar rapidamente um elétrn. Os elétrns e s buracs pdem se deslcar sb efeit de um camp elétric e, a se recmbinarem, um fótn u partícula de luz é prduzid. (Bylestad, 1994). Figura 12- Junçã p-n Plarizaçã direta. Entã LED é um did que emite luz quand energizad. Em qualquer junçã p-n plarizada diretamente, existe, dentr da estrutura e próxim principalmente da junçã, uma recmbinaçã de elétrns e buracs. Esta recmbinaçã exige que a energia d elétrn livre nã ligad seja transferida
32 para um utr estad. Em tdas as junções p-n d semicndutr, parte desta energia será emitida na frma de calr e parte na frma de fótns. N silíci e germâni, a mair parte é na frma de calr, e a luz emitida é insignificante. Em utrs materiais, cm fsfet de arseniet de gáli (GaAsP) u fsfet de gáli (GaP), numer de fótns da energia luminsa é suficiente para criar uma fnte de luz bem visível. Em funçã d tip de energia que é liberada pdem se distinguir dis tips de recmbinaçã: Recmbinaçã nã radiante: A mairia da energia de recmbinaçã se libera cm energia térmica. Recmbinaçã radiante: A mairia da energia de recmbinaçã se libera em frma de luz. 3.2.1. Eficácia Quântica Interna (Q S ) A eficácia quântica interna (Q s ) determina a relaçã entre númer de fótns gerads e númer de prtadres (elétrns e buracs) que atravessam a junçã p-n e que cnseguem se recmbinar. Q s fótns gerads = elétrns e buracs recmbinads Este parâmetr deve ser próxim a valr 1, prque númer de elétrns e buracs recmbinads deve prduzir mesm númer de fótns. O valr da eficácia quântica interna depende das prbabilidades relativas ds prcesss de recmbinaçã radiante e recmbinaçã nã radiante, que pr sua vez dependem da estrutura da uniã, d tip de impurezas, e principalmente d material semicndutr. 3.2.2. Eficácia Quântica Externa (Q ext ) N entant, a btençã de uma alta eficácia quântica interna nã garante que a emissã de fótns d LED seja alta. A radiaçã gerada na junçã é radiada em tdas as direções. É essencial que esta radiaçã gerada n interir d material pssa sair dele. Chama-se eficácia quântica externa (Q ext ), à relaçã
33 entre númer de fótns emitids e númer de prtadres (elétrns e buracs) que atravessam a junçã p-n e cnseguem se recmbinar. Q ext fótns emitids = elétrns e buracs recmbinads As causas para que Q ext seja menr que Q s sã três: Smente é útil a luz emitida em direçã da superfície. Entre a superfície d semicndutr e d ar pdem-se dar s fenômens de reflexã, ficand s fótns press n interir d material. Os fótns pdem ser absrvids pel material para vltar a frmar um par elétrn-burac. 3.2.3. Materiais utilizads ns LED A cr da luz emitida pel LED depende unicamente d material e d prcess de fabricaçã (principalmente da dpagem de impurezas). Figura 13- Gama de cres segund material semicndutr d LED.
34 Na tabela adjunta aparecem alguns exempls de materiais utilizads junt cm as cres cnseguidas: Tabela 1 Materiais utilizads na fabricaçã de alguns LED, cmpriment de nda da luz emitida. MATERIAL COMPRIMENTO DE ONDA COR AsGa 904 nm Infravermelh InGaAsP 1300 nm Infravermelh AsGaAl 750-850 nm Vermelh AsGaP 590 nm Amarel InGaAlP 560 nm Verde CSi 480 nm Azul 3.2.4. Padrões ftmétrics d Did Emissr de Luz (LED) Cnfrme as infrmações que NIST (Natinal Institute f Standars and Technlgy) apresenta na sua página web (www.nist.cm), a aplicaçã ds dids emissres de luz (LED) está se expandind rapidamente desde que s LED de intensidade elevada em uma ampla faixa de cres têm sid desenvlvids e se trnam dispníveis recentemente, e que permitiram a aplicaçã ds dids emissres de luz em uma amplia variedade de áreas tais cm displays de cr, sinais de tráfic, sinais da estrada (luzes de barricadas), sinalizações e iluminações ds aerprts, etc. Devid à aplicaçã d did emissr de luz se está incrementand nestes últims temps, as especificações exatas das características d did emissr de luz sã cada vez mais imprtantes. Entretant, existem grandes discrepâncias nas medidas que sã relatadas entre fabricantes e usuáris d did emissr de luz. Os dids emissres de luz sã fntes de luz peculiares e sã muit diferentes das lâmpadas cmuns ns terms d tamanh físic, da luminsidade, d espectr e da distribuiçã espacial da intensidade. Assim, uma transferência para us das escalas ftmétricas das lâmpadas padrões de intensidade luminsa tradicinal as dids emissres de luz nã é uma tarefa
35 trivial, e grandes incertezas sã envlvidas. As características dependentes da temperatura e de uma variedade grande de desenhs óptics ds dids emissres de luz fazem mais difícil de reprduzir medidas. Assim, a fim de reslver este prblema, NIST fi slicitad a frnecer dids emissres de luz padrões calibrads para a intensidade luminsa e flux lumins e que deve melhrar drasticamente a exatidã das medidas n nível da indústria. O NIST tem um prjet de desenvlver a tecnlgia e s padrões para medir a intensidade luminsa e flux lumins d did emissr de luz, e estabelecer serviçs de calibraçã para s dids emissres de luz, desse md melhrand a exatidã e a unifrmidade das medidas d did emissr. 3.3. Dids LASER LASER (Light Amplificatin by Stimulated Emissin f Radiatin). As aplicações destes dids sã muit diversas e abrangem desde crte de materiais cm feixes de grande energia até a transmissã de dads pr fibra óptica. Os dids laser sã cnstrutivamente diferentes as dids LED nrmais. As características de um did laser sã: A emissã de luz é dirigida em uma direçã só: Um did LED emite fótns em muitas direções. Um did laser, a invés, cnsegue emitir um feixe guiad da luz, preferencialmente em uma só direçã. A emissã de luz laser é mncrmática: Os fótns emitids pr um laser têm cmpriments de nda muit próxims. N entant, na luz emitida pels dids LED, existem fótns cm maires dispersões, que depende d cmpriment de nda. Devid a estas duas prpriedades, cm laser se pdem cnseguir rais de luz mncrmática dirigids em uma direçã determinada. Alem diss, também se pde cntrlar a ptência emitida. O laser é um dispsitiv ideal para aquelas perações nas que seja necessári emitir energia cm precisã.
36 Figura 14- Intensidade da luz em funçã d cmpriment de nda para dids LED. Figura 15- Espectr emitid pr um LED e espectr emitid pr um LASER. 3.4. Ftdetectres Os ftdetectres sã dispsitivs que cnvertem luz num sinal elétric. Quand flux lumins incide sbre material semicndutr, s fótns pdem frnecer as elétrns da superfície d material energia suficiente para prduzir a ruptura das ligações cvalentes. Pr tant a açã ds fótns casina a prduçã de pares elétrn-burac, que prvca aument da cndutividade d semicndutr. Este fenômen é cnhecid cm ftcndutividade. Entre s dispsitivs que funcinam baseads n fenômen da ftcndutividade tems s ftrresistres, s ftdids e s fttransistres. (Intratr & Mell, 1983). Os ftdetectres mais utilizads, atualmente, nas regiões visíveis e infravermelhas próxim sã s ftdids e s ftrresistres. Estes dispsitivs nã peram n infravermelh médi u distante, pis s fótns nã têm energia suficiente para prduzir pares elétrn-burac. Nessas regiões utilizam-se ftdetectres térmics, ns quais a absrçã da luz prduz um aqueciment n element sensr e varia sua resistência elétrica (Rezende, 1996).
37 3.4.1. Ftrresistres Os ftrresistres sã cnstituíds simplesmente pel material semicndutr: quand flux lumins incide sbre s mesms, sua cndutividade aumenta u, faland em terms de resistência, a sua resistividade diminui. É muit utilizada a caracterizaçã ds ftrresistres pelas iniciais d seu nme em inglês: Light Dependent Resistrs. Daí serem chamads s mesms de LDR, u ftcndutres u células ftcndutras. (Intratr & Mell, 1983). O material da ftrresistência respnderá a alguns cmpriments de nda determinads. Pr assim dizer, a variaçã da resistência será máxima para um cmpriment de nda determinad. As especificações sã dadas pel frnecedr. Em geral, a variaçã da resistência está em funçã d cmpriment de nda, pde-se bservar na figura seguinte. (Intratr & Mell, 1983). Figura 16- Variaçã da resistência em funçã d cmpriment de nda da radiaçã. 3.4.2. Ftdids Os ftdids sã dids de junçã p-n. As características elétricas ds ftdids dependem da quantidade de luz que incide sbre a junçã, pr este mtiv precisam de uma janela transparente à luz para que pssam entrar s rais luminss e incidir na junçã p-n. Os ftdids sã mais rápids que as ftrresistências, que significa que têm um temp de respsta menr. (Intratr & Mell, 1983). Uma característica imprtante n funcinament d ftdid denmina-se crrente escura (dark current), que é a crrente que gera ftdid quand nã existe luz incidente.
38 3.4.3. Fttransistres Os fttransistres sã cnstituíds basicamente de duas junções havend uma janela que permite a incidência de luz sbre a junçã baseemissr. Ist aumenta a cndutividade deste did base-emissr, cm cnseqüente aument da crrente d cletr. (Intratr & Mell, 1983). A sensibilidade de um fttransistr é superir à de um ftdid, já que a pequena crrente ftgerada é multiplicada pel ganh d transistr. (Intratr & Mell, 1983; Millman, 1981). 3.5. Características ds dispsitivs ftssensíveis Os dispsitivs ftssensíveis apresentam três imprtantes características, que sã a respsta espectral, a sensibilidade e a respsta em freqüência. (Intratr & Mell, 1983). 3.5.1. Respsta Espectral Respsta espectral é cmprtament que apresenta dispsitiv quand um flux de energia radiante de diferentes freqüências incide sbre um dispsitiv ftssensível. Esta infrmaçã é frnecida pel fabricante que, na mairia ds cass, frnece uma curva relacinand a sensibilidade relativa cm cmpriment de nda de luz utilizada. Figura 17- Respsta espectral d ftdetectr. Cmpriment de nda x Eficiência quântica.
39 Figura 18- Respsta espectral relativa para Si, Ge e Se, cmparada a lh human. 3.5.2. Sensibilidade Entende-se pr sensibilidade d dispsitiv ftssensível a respsta que apresentará se um flux lumins (cm uma freqüência determinada) incidir n dispsitiv ftssensível e se faz variar iluminament. Pr exempl, a se dizer que a sensibilidade de um ftdid é de 10micrampères/lux, estams dizend que a variaçã de 1lux n iluminament prduz uma variaçã de 10micrampères na crrente de saturaçã d did. O flux lumins é express em lúmens. A grandeza iluminament é medida em terms da sua unidade que se chama lux. Iluminament é flux lumins que incide em uma área de 1m 2, assim 1lux=lúmen/m 2. Td crp que está emitind radiações faz numa gama de cmpriments de nda e, prtant, na hra de medir a sensibilidade d dispsitiv é imprtante saber que cmpriments de nda a lâmpada utilizada está emitind, pis as radiações emitidas vã sensibilizar dispsitiv ftssensível, cm mair u menr intensidade. O únic mei de caracterizar a fnte utilizada é indicar a sua temperatura de cr, iss significa que, na temperatura de cr, crp emite aprximadamente as mesmas radiações e cm as mesmas intensidades que crp negr a esta temperatura. Prtant se alguém tenta medir a sensibilidade
40 de um dispsitiv ftssensível, pde encntrar resultads diferentes apenas pr estar usand uma fnte de diferente temperatura de cr que a utilizada pel fabricante quand realizu teste. Assim tems cm exempl: Did OAP12- sensibilidade medida pr mei de uma lâmpada incandescente de tungstêni de temperatura de cr de 2500K: mair que 5 micramperes para 100 lux (5µA/100lux). Transistr OCP70 sensibilidade medida pr mei de uma fnte de luz de temperatura de cr igual a 2700K: mair que 130mA/lúmen para uma área sensível de 7mm 2. A sensibilidade pde ser indicada em terms d iluminament, ist é, expressar a variaçã da crrente para uma variaçã determinada d iluminament (exempl 5µA para cada 100 lux). A sensibilidade também pde ser expressa, em terms d flux lumins (lúmen); entretant, sempre que é utilizad flux lumins, é indicada a área sensível (n cas 7mm 2 ). 3.5.3. Respsta em freqüência Se incidir flux lumins A u flux lumins B sbre um dispsitiv ftssensível, à medida que a freqüência aumenta, a sensibilidade d dispsitiv vai diminuind, existind uma freqüência em que a sensibilidade cai 3db cmparada cm a sensibilidade para baixas freqüências. Esta freqüência é chamada de freqüência de crte d dispsitiv ftssensível. Figura 19- Respsta em freqüência.
41 3.6. Unidades Ópticas As seguintes definições de algumas unidades ópticas fram extraídas d quadr Geral de Unidades de Medida d INMETRO. Tabela 2- Unidades ópticas Grandeza Nme Símbl Definiçã Intensidade Luminsa candela cd Flux lumins lúmen lm Iluminament lux lx Luminância Eficiência luminsa Candela pr metr quadrad Lúmen pr watt Intensidade luminsa, numa direçã dada e de uma fnte que emite uma radiaçã mncrmática de freqüência 540x10 12 hertz e cuja intensidade energética naquela direçã é 1/683watt pr esterradian Flux lumins emitid pr uma fnte puntifrme em invariável de uma candela, de mesm valr em tdas direções, n interir de um ângul sólid de 1 esterradian. Iluminament de uma superfície plana de 1 metr quadrad de área, sbre a qual incide perpendicularmente um flux lumins de 1 lúmen, unifrmemente distribuíd. Luminância de uma fnte cm 1 cd/m 2 metr quadrad de área e cm intensidade luminsa de 1 candela lm/w Eficiência luminsa de uma fnte que cnsme 1 watt para cada lúmen emitid O Flux lumins é em geral, medid em lumens (lm) u watts (W). As duas unidades sã relacinadas pr 1 1,496 10 10 lm = x W