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- ELETTRONICA OGGI 442 -GENNAIO/FEBBRAIO 2015
optoelettronica ha già su-
perato un secolo di sco-
perte e sviluppi tecnolo-
gici perché si può dire abbia
preso vita nel 1905 con la sco-
perta dell’effetto fotoelettrico da
parte di Einstein, che ha portato
alla realizzazione dei sensori
ottici per la conversione dei fo-
toni in elettroni e al successivo
sviluppo dei diodi per la trasfor-
mazione contraria dell’energia
elettronica in energia fotonica.
In sostanza è possibile illumina-
re i metalli e fare in modo che un po’ di elettroni si
dissocino dai loro atomi e si mettano in movimento
purché i fotoni, che sono le particelle elementari che
trasportano la radiazione elettromagnetica, abbiano
energia sufficiente ossia E = h·f = h·(c/
Ȝ
), dove h è
la costante di Planck ed f è la frequenza del fotone
rappresentabile anche come rapporto fra la velocità
della luce e la sua lunghezza d’onda
Ȝ
. Per esempio,
per estrarre un elettrone dal sodio (Na) occorre un
fotone di 2,28 eV, ossia con
Ȝ
di 544 nm, che corri-
sponde alla luce verde, mentre con il rame (Cu) lo
stesso fotone deve avere almeno 4,48 eV, ossia 263
nm all’ultravioletto. Su questo effetto sono basati i
fotorivelatori o fotodiodi, che sono fatti con giun-
zioni otticamente sensibili di silicio o arseniuro di
indio-gallio, che offrono uno spettro di cattura molto
ampio (da 190 a 1100 nm per il Si e da 800 a 2600
l’InGaAs) e consentono di ottenere in uscita una
corrente elettrica proporzionale all’energia della ra-
diazione incidente. Una variante del fotodiodo è il
fototransistor, nel quale il segnale ottico viene cat-
turato dalla giunzione base-collettore e poi amplifi-
cato fra base ed emettitore, ottenendo un guadagno
superiore rispetto al fotodiodo ma con un tempo di
risposta maggiore, che fa preferire i diodi nelle ap-
plicazioni ad altissima velocità.
Il principio inverso è quello del diodo laser, dove una
giunzione p-n produce per emissione spontanea dei
fotoni quando viene attraversata da una corrente elet-
trica, che causa la ricombinazione fra le coppie elettro-
ne-lacuna. Se la zona svuotata è abbastanza lunga, i
fotoni generati provocano per emissione stimolata ulte-
riori ricombinazioni, aumentando la quantità dei fotoni
e in questo modo funzionano i Laser Emitter Diode, o
LED. L’energia di ciascun fotone emesso è proporzio-
nale all’energia di ricombinazione di ogni coppia, che
è funzione dei materiali utilizzati nella giunzione e per
esempio con l’InGaAs si ottiene il blu violetto a 405
nm mentre con l’AlGaInP il rosso a 635 nm e, inoltre,
siccome la potenza della radiazione fotonica dipende
dal numero dei fotoni, è anche funzione della corrente
elettrica applicata.
TECH-FOCUS
OPTO DISCRETI
Fra i componenti discreti i dispositivi ottici sono tra
i più utili e anche più diffusi per le pregevoli doti
di affidabilità e accuratezza dovute alla sintonia
d’interazione tipica degli elettroni e dei fotoni
COMPONENTI DISCRETI
OPTOELETTRONICI
L’
Lucio Pellizzari
Fig. 1 – Principio di funzionamento dell’effetto fotoelettrico e del diodo LED a giunzione
semplice