Figura 9.1 4
versione P N P) . Potremo sostitu i re i l fotod iodo nel ci rcu i to d i F i g u ra 9. 1 3 con q u esto fototransistore. Anch'esso funziona com m utando e regolando corrente q uando l'a l i mentatore tenta di pom pare elettro n i dal l'emettitore al col l ettore. Quando non c'è l u ce, non sco rre corrente, perché non c'è corrente d i controllo i n base. Ma, q uando la luce colpisce la g i u nzione base-col lettore, scorre u n a corrente i nversa di dispersione. Q uesta, i n effetti , costituisce u n a corrente d i elettroni che viene richiamata dal l a base - proprio q uello che ci occorre per mandare i n conduzione un transistore N PN . Ma, nel fototransistore, contrariamente a q uanto avviene nel d i odo, dall'emettitore al col l ettore scorre una corrente d i lavoro molto maggiore. Così, i l fototransistore funziona come i l fotod iodo, ma, in;più, ampl ifica la m i n uscola corrente prodotta dalla l uce. R i cordate che con il d iodo, otteniamo solo un elettrone d i corrente per og n i elettrone che lascia la reg ione P . Con il fototransistore, i nvece, per og n i elettrone che lascia la regione P ci rca cento elettro n i passan o dal l 'emettito re al col l ettore e attraverso il c i rc u ito di l avoro.
COME FUNZIONAN O G LI EM ETTITORI DI LUCE?
, l d iod i emettitori d i l u ce i nvertono sem p l i cemente l'effetto uti l i zzato nei senso ri di l u ce. Q uando un elettrone l i bero in un pezzo di materiale sem iconduttore i n contra u na l ac u n a e vi cade dentro, i l processo genera u n fotone d i l u ce. I l fotone viene lanciato via i n q ualche d i rezione a caso. l n n u merevo l i foton i fuggenti i nsieme costitu iscono u n rag g i o d i l u ce.
l n F i g u ra 9. 1 5 si può vedere come q u esto effetto venga usato nei diodi a emis sione l u m i nosa per p rodu rre u n a q uantità d i l u ce uti l izzabi le, cosicchè u n LED serve
come u n a specie d i lampad i n a a sem icond uttore. I l LED viene inserito i n u n c i rcu ito con un a l i mentatore che pompa attraverso esso una corrente d i retta. G l i elettroni i n i ettati nel c h i p al catodo attraversano la reg ione N come elettroni l i beri, mentre le
ELETTR ONE LIBERO CADE IN U NA LACUNA
G
LETTRONIN+
Figura 9.1 5
lacune generate all'anodo dalla sottrazione d i elettroni vincolati attraversan o la reg ione P. In pross i m ità del la g i u nzione PN, gli elettroni l i beri cadono entro del le lacune, gen erando dei foton i d i luce nel processo. Se la corrente d i retta è sufficiente, l'area d i g i u nzione del ch i p risplende l u m i n osamente.
l diodi a emissione l u m i nosa non sono fatti di si li cio o di german io. Queste due sostanze, anche se molto i n d i cate per sen tire la l u ce, hanno u n rendi mento troppo basso per dare dei buoni emettitori d i l u ce. Esse emettono più calore che l u ce. Così invece, si usa come sostanza semicond uttrice u n com posto di elementi. I l più usato è l'arsen i u ro di gallio. I l gal l i o è u n' i mpu rità di tipo P e l'arsen i u ro è u n ' i m p u rità di ti po N. Combi nati i n q u antità precisamente ugual i , essi compensano esattamente il reci p roco effetto d i d rogaggio e forn iscono una struttu ra mo lto s i m i le al s i l i cio puro. L'arsen i u ro di gal l i o, nella sua forma pura, ha un n u m ero piccolo d i lacu ne positive e di elettroni l i beri. Ma proprio com'è i l caso q uando si fa uso di sil icio, l'arse n i u ro di gal l i o dev'essere "drogato " per prod u rre del materiale di tipo P i n una delle due aree del ch i p e del materiale d i tipo N nell 'altra.
QUALI COLO R I DI LUCE SONO INTER ESSATI N ELLA OPTO-ELETTR O N ICA? l LED tipici prod ucono l u ce infrarossa, una gamma d i colori i nvisi � i l i all'oc chio u mano. Ma, come si è visto, la maggior parte dei sensori di l uce a sem icond ut tori ha la mass i m a sensibil ità proprio in questa gamma del lo spettro l u m i noso. I l ri sultato è che questi dispositivi a i nfra rossi si p restano a delle uti l i e interessanti applicazio n i , come gli allarmi antif u rto ed i sistemi di sorveg l i anza notturna per uso m i l itare.
Esistono, tuttavia, molti sensori ed emettitori di l uce che sentono e generano l u ce visibile - d i solito l uce rossa o verde. l d i od i emettitori di l u ce visi bi le (VLED) so no g ià largamente usati per indicare delle cifre nelle calcolatrici da tavolo e in altri stru ment i . R icorderete che li abbiamo usati come elementi visualizzatori nel nostro baby computer.
IN Q UALI ALTRI M O D I VENGONO USATI l DISPOSITIVI O PTO-ELETT R O N I CI? L'uso fo rse più com u n e deg l i emettitori e dei sensori d i l u ce opto-elettron i c i si ha nella lettu ra delle schede perforate e del nastro d i carta perfo rata. La ben nota scheda Hol lerith, del tipo co m u nemente usato per fattu rare i singol i addebiti ai cl ienti, è tuttora un su pporto molto diffuso per i m m ettere i dati nei calcolatori.
La Fig u ra 9. 1 6 permette di com prendere il funzionamento di u n lettore opto
elettronico di schede perforate. Ogni foro nella scheda perforata rappresenta un bit di dati (un "dato"). La scheda viene fatta passare fra una schiera di emettitori di !uce, da u n
Figura 9.1 6
lato, e u n a sch iera d i sensori d i l u ce, dal l'altro. O g n i emettitore genera contin u a mente l u ce, ma og n i senso re viene azionato solo q u ando u n fo ro g l i passa davanti e permette l'arrivo ad esso del la l uce. l n q uesto modo, o g n i foro trasmette luce al sen so re e genera u n i m p u lso di elettricità; q u esto i m p u lso viene opportu namente i nter pretato dal calcolatore e usato come dato i n i n g resso. Q uesta tec n i ca opto elettronica dà molto p i ù affidamento del vecc h i o m etodo a co ntatti , perchè, con i sol i ragg i l u m i nosi facenti contatto con la scheda, non ci sono parti i n moto sogg ette a usura o capaci di i ncepparsi.
Q uesto principio d i i nterrom pere u n rag g i o d i l u ce fra u n emettitore e un sen sore, sta anche alla base, natura l mente, d i molti siste m i antifurto e rivelatori della presenza di estranei. In q u este appl i cazi o n i viene sfruttata l a capacità dell'opto elettron ica a stato sol ido di funzionare così bene con la l uce i nfrarossa. I n tal i siste m i , l ' i ntruso non sa che la sua presenza è stata rivelata.
Man mano che i m i g l ioramenti dei p rocessi riducono i p rezzi dei d ispositivi opto-el ettro n i c i , q u esti trovano un n u mero semp re maggiore d i i m pieg h i nel l ' i ndu stria - per i l conto deg l i oggetti portati da u n nastro trasportatore, i n quanto g l i oggetti i nterrompono i l pan nello l u m i n oso, nelle operaz i o n i d i ispezio ne, nel l e misu re, nel contro l l o d i fluss i , nel contro l l o del peso, neg l i i n d i catori d i l ivel l o e i n m olte altre ap p l i cazion i .
An cora u n'altra appl i cazione d e i sensori d i l u ce a stato sol ido si ha n e l t u bo T i
teleco m u n icazio n i . Q u esto tubo è est rem amente sensi bile anche a dei soggetti de bol mente i l l u m i nati ed è capace di vedere l a l u ce infrarossa. Nel tubo Tivicon, la l u ce cade su u na schiera d i , g rosso modo, u n m i l ione d i m i n usco l i fotod iodi, che sono stati ottenuti da u n u n i co wafer di s i l i cio del diametro di meno di u n pol l ice. QUALI CARATTERIST I C H E VENGONO SPECIFI CATE NEl DATA SHEET DEl D ISPOSITIVI OPTO-ELETTR O N I CI?
Molte delle specifiche applicate ai dispositivi opto-elettronici sono uguali a quel le che già avete conosci uto i n seg u ito alla trattazione dei normal i diodi e transistori - per cui non occorre ripeterle. M a, come potrete prevedere, i d ispositivi opto-elettronici richiedono alcune specifiche agg i u ntive aventi a che fare con la luce.
Per i sensori di luce:
La corrente in illuminazione I L è la quantità di corrente che scorre ( i n certe con dizion i di tensione) nelle condizioni corrispondenti ad u na certa q uantità preci sata di luce.
La corrente in oscurità l o è la quantità d i corrente che scorre ( i n certe condizio
ni di tensio ne) i n condizio n i d i oscurità . Per g l i emettitori di luce:
La potenza radiante resa P o è la q uantità di potenza l u m i n osa ( l u m i nosità) , che il d iodo prod uce, date certe condizioni d i prova di corrente di retta. Un a specifica ab bastanza tipica è d i un m i l l iwatt di potenza radiante.
La lunghezza d'onda all'emissione di picco il picco specifica i l colore più l u m i noso emesso. La "y" capovolta è la lettera g reca "lambda" o "L". Qui essa sta per lunghez za, con il sign ificato di l u nghezza d'onda. Così , q u esta specifica ci dice la l u n ghezza d'onda del colore p i ù b ri l la nte emesso dal l'emettitore di l u ce. U n a l u n g hezza d'onda tipica è d i 0,93 m i cron .
L a larghezza d i banda spettrale BW il dà u n a m i s u ra d i q uanto i ntenso o concen trato è i l colore. Poichè la sorgente l u m i n osa emette altri colori, sia dal l ' u n o che dal l'altro lato del suo colore d i p i cco, q u esto n u mero ci d i ce q uanto è larga u na parte del lo spettro emesso, com p rendente tutti i colori emessi al meno a metà del la l u m i nosità del col ore d i p i cco. U n valore tipico è d i 500 A ngstroms.
La F i g u ra 9. 1 7 dà uno stralcio del data sheet d i un emettitore d i l u ce, di cui i n d i ca le specifiche p i ù com u n i . La F i g u ra 9 . 1 8 dà u n o stral cio del data sheet d i u n foto diodo e le F i g u re 9.1 9 e 9 .20 fan n o parte del data sheet di un fototransistore. Stu diando q uesti data sheet e riferend o l i alla nostra discussione s u l l e specifiche dei sem iconduttori , è poss i b i le fare un u lteriore passo nella comprensione dei semi conduttori .
Q uesto è i l nostro u ltimo capitolo sui vari semicond uttori i n conten itori singoli - ch iamati dispositivi "discreti" . Nel prossi m o capitolo, co m i n ceremo a parl are dei c i rcuiti integrati, cioé d i dispositivi contenenti molti diodi e transistori, oltre a resistori e connettori, tutti col legati i nsieme i n u n ci rc u ito funzionale e contenuti entro un u n ico chip d i s i l icio. Adesso, potete vedere dove ci ha condotti tutta la nostra trattazione - e q uando discuteremo d i circuiti integrati, capi rete l'intera evo l uzione dell'elettron i ca dei sem icond uttori .