Optoelectrónica

Optoelectrónica

La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz.

Usos:

Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo (LED) que nos avisa, que las pilas se han agotado y que deben cambiarse. Los tubos de rayos catódicos con los que funcionan los osciloscopios analógicos y los televisores, las pantallas de cristal líquido, los modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica. Los dispositivos optoelectrónicos se denominan opto aisladores o dispositivos de acoplamiento óptico.

La Radiacion Electromagnetica

No se pretende aquí realizar un estudio riguroso a cerca de la radiación electromagnética. Simplemente se recordarán algunos conceptos básicos, imprescindibles para comprender el capítulo.

1. La radiación electromagnética está formada por fotones.

1. Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de onda según la ecuación

E=hc/

Donde:

• E = energía del fotón

• c = velocidad de la luz 3•108m/s

• h = constante de Planck

• = longitud de onda del fotón.

El numerador de la expresión de la energía es una constante. Por eso, la energía de un fotón es mayor cuanto menor sea la longitud de onda , que se encuentra en el denominador.

1. La luz, tal y como la entiende la persona de a pie, no es mas que una parte de la radiación electromagnética que es capaz de excitar las células de la retina del ojo. La radiación electromagnética abarca un concepto más general.

Figura 1: El espectro electromagnético

La radiación electromagnética queda dividida según su longitud de onda (Figura 1). A continuación se comentan algunos aspectos relativos a estas divisiones:

• Las ondas de radio son generadas por circuitos electrónicos, como osciladores LC, y son utilizadas en comunicaciones.

• Las microondas abarcan la zona desde 1 mm hasta 30 cm. Resultan adecuadas para los sistemas de radar, navegación aérea y para el estudio de las propiedades atómicas de la materia.

• Las ondas infrarrojas son llamadas también ondas térmicas ya que estas ondas son producidas principalmente por cuerpos calientes y son absorbidas fácilmente por la mayoría de los materiales. La energía absorbida aparece como calor. Estas ondas comprenden longitudes de onda desde 1 mm hasta 4x10-7 m.

•

o La luz visible es la parte del espectro que puede percibir el ojo humano. Incluye las longitudes de onda desde 4x10-7 hasta 7x10-7 metros o lo que es lo mismo, desde 400nm hasta 700nm. Los diferentes colores corresponden a ondas de diferente longitud de onda.

o La luz ultravioleta (6x10-8 - 3.8x10-7) es producida principalmente por el sol. Es la causa de que la gente se ponga morena.

o Los rayos X y los rayos gamma son ondas de gran energía que dañan la estructura de los tejidos humanos.

La optoelectrónica se centra principalmente en la parte del espectro electromagnético correspondiente a la luz visible y la parte del infrarrojo cercano a la luz visible.

2. Dispositivos Optoelectronicos Basicos

A nivel de componentes podemos distinguir tres tipos de dispositivos:

• Dispositivos emisores: emiten luz al ser activados por energía eléctrica. Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía luminosa. A este nivel corresponden los diodos LED o los LÁSER.

• Dispositivos detectores: generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados. Transforma, pues, la energía luminosa en energía eléctrica.

• Dispositivos fotoconductores: Conducen la radiación luminosa desde un emisor a un receptor. No se producen transformaciones de energía.

Tras esta amena introducción, nos adentramos en el maravilloso mundo de la optoelectrónica.

Dispositivos Emisores

Los dispositivos emisores son aquellos que varían sus propiedades ópticas con la aplicación de un determinado potencial. Estas propiedades pueden ser la emisión de luz o simplemente la absorción o reflexión de la luz

En este apartado se presentan los siguientes componentes:

• Diodos LED

• Diodos láser

• Tubo de rayos Catódicos

• Cristales líquidos

Diodos Emisores De Luz (Leds)

Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente emite luz.

Al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración de portadores (electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido comunicada mediante la aplicación de la tensión directa.

Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía que es liberada:

• Recombinación no radiante : la mayoría de la energía de recombinación se libera al cristal como energía térmica.

• Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera en forma de radiación. La energía liberada cumple la ecuación:

Si se despeja la longitud de onda:

siendo E la diferencia de energía entre el electrón y el hueco que se recombinan expresada en electrón-voltios. Esta energía depende del material que forma la unión PN.

Para caracterizar la eficacia en la generación de fotones se definen una serie de parámetros:

La eficacia cuántica interna (s) es la relación entre el número de fotones generados y el número de portadores (electrones y huecos) que cruzan la unión PN y se recombinan. Este parámetro debe hacerse tan grande como sea posible. Su valor depende de las probabilidades relativas de los procesos de combinación radiante y combinación no radiante, que a su vez dependen de la estructura de la unión el tipo de impurezas, y sobre todo, del material semiconductor.

Sin embargo, la obtención de una alta eficacia cuántica interna no garantiza que la emisión de fotones del LED sea alta. La radiación generada en la unión es radiada en todas las direcciones. Es esencial que esa radiación generada en el interior del material pueda salir de él. A la

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