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PRINCIPIOS DE LA OPTOELECTRONICA
JOHN ALEXANDER GUTIERREZ
JORGE ANDRES HERRERA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
BOGOTA D.C.
2001
INTRODUCCION
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.
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 que nos avisa, siempre en el momento más inoportuno, 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,... son algunos de los ejemplos de aplicación de las propiedades ópticas de los materiales que nos disponemos a desglosar en este trabajo.
Para comenzar antes debemos recordar los conceptos elementales acerca de la luz, los cuales ayudaran a definir y a entender más acerca de la forma en que opera la optoelectronica, la cual tambien es conocida como fotonica, fotoelectronica o electrooptica.
OPTOELECTRONICA
LA RADIACION ELECTROMAGNETICA
La radiación electromagnética está formada por fotones. 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.
Figura 1.: El espectro electromagnético
La luz 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.
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.
•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.
•La luz ultravioleta (6x10-8 - 3.8x10-7) es producida principalmente por el sol. Es la causa de que la gente se ponga morena.
•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.
Figura 2.: Espectro visible.
Clasificación de los dispositivos optoelectrónicos
Todos los dipositivos optoelectrónicos realizan una de dos funciones, las cuales se utilizan para su clasificación:
A estos dispositivos se les llama electroluminicentes. Es importante aclarar que la mayoría de cristales de semiconductores al ser bombardeados con fotones, calor o electrones emiten luz visible o en la banda infraroja. Sin embargo, específicamente llamamos electroluminiscentes a aquéllos que responden a la corriente eléctrica. Al aplicarle una corriente a dichos dispositivos, los electrones se mueven del material N hacia el P y se combinan con los huecos. Cuando los electrones se mueven del alto estado energético de la banda de conducción al bajo estado energético de la banda de valencia, fotones de energía son liberados. La siguiente figura ilustra este proceso, donde se representan en amarillo los fotones que salen del material. Dichos materiales pueden emitir luz visible, o como en el caso de los diodos infrarojos, luz infraroja.
Figura 3.
Ejemplos de dispositivos luminiscentes:
LEDs (Light Emitting Diode), IRLED (infrared LED), Despliegues LED.
Este tipo de dispositivos a menudo son llamados fotodetectores. En este caso, la energía que entra al cristal de semiconductor excita a los electrones a niveles más altos de energía, dejando huecos atrás. Posteriormente estos electrones y huecos se alejan unos de otros, conformando una corriente eléctrica. La figura ilustra este proceso, en el cual la radiación se representa como fotones que inciden sobre el material semiconductor, y la corriente se observa como electrones que abandonan el material.
Figura 4.
Ejemplos de dispositivos fotodetectores:
- Fotoemisores, que emiten electrones cuando existe energía radiante que incide sobre material sensible a dicha radiación. Dentro de esta categoría encontramos: Fototransitores, LASCR (Light Sensitive Sillicon Controlled Rectifier)
- Fotoconductores, que cambian su resistencia eléctrica debido a la exposición a energía radiante. Ejemplos: Fotoresistores, Fotodiodo.
Además de los dispositivos fotodetectores y fotoemisores, existen los dispositivos fotoconductores, los cuales conducen la radiación luminosa desde un emisor a un receptor y no producen transformaciones de energía. Estos dispositivos es tambien llamados optoacoplador.
Figura 5: Esquema de un optoacoplador
Un optoacoplador es un componente formado por la unión de un diodo LED y un fototransistor acoplados a través de un medio conductor de luz y encapsulados en una cápsula cerrada y opaca a la luz.
Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor será la corriente que recorra el fototransistor. Se trata de una manera de transmitir una señal de un circuito eléctrico a otro. Obsérvese que no existe comunicación eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de información pero no existe una conexión eléctrica: la conexión es óptica.
Figura 6: Esquema constructivo de un optoacoplador
Las implementaciones de un optoacoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique. Una de las más populares se ve en la Figura 6 Se puede observar como el LED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar el vidrio, inciden sobre el fototransistor.
Obsérvese también el aislamiento eléctrico entre fototransistor y LED ya mencionado.
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