T5. Dispositius Fotònics (2017)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 3º curso
Asignatura Dispositius Electrònics
Año del apunte 2017
Páginas 21
Fecha de subida 31/10/2017
Descargas 0
Subido por

Vista previa del texto

Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 5 DISPOSITIUS FOTÒNICS 5.1 PROPIETATS DE LA LLUM. INTERACCIÓ LLUM MATÈRIA.
5.1.1 Descripció de la llum tres models diferents, compatibles entre si, per descriure la radiació electromagnètica, concretament la llum. Aquests tres models, segons el seu ordre en el temps, òptica geomètrica òptica electromagnètica òptica quàntica.
5.1.1.1 Òptica geomètrica (Rays optics) dels fenòmens en els que hi participa la llum, com per exemple, la refracció o la reflexió. Tanmateix, aquesta descripció és aproximada, doncs prescindeix del comportament ondulatori de la llum, per la qual La descripció del comportament de la llum principi de Fermat i la llei de Snell.
principis: el Principi de Fermat El principi de Fermat punt a un altre és aquell on el camí òptic és mínim, és a dir, aquell que es pot recórrer en el menor temps possible.
índex de refracció, , que consisteix en un factor ca òptic i indica quina és la ràtio de velocitat de propagació de la llum en dit medi respecte el buit.
mensional i sempre és més gran que 1.
Es defineix com a camí òptic de refracció diferents.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato Llei de Snell Llei de Snell: quan un feix incideix amb un angle, 1, refracta sobre el mateix pla amb un angle 2. Els dos angles es relacionen amb la següent fórmula: la superfície de la interfície sinó sobre la vertical.
5.1.1.2 Òptica electromagnètica estudia el comportament de la llum tenint en compte el seu caràcter ondulatori.
Aquest comportament ve descrit per les equacions de Mawxell microscòpiques: Llei de Gauss pel camp elèctric en absència de càrregues: Llei de Gauss pel camp magnètic: Llei de Faraday-Lenz: agnètic que La velocitat de propagació al buit és la velocitat de la llum i es defineix com: Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato Polarització de la llum La vector del camp elèctric amb el temps. La polarització de la llum és una característica important ja que La qu diferents segons la seva polarització.
Els materials òpticament actius poden rotar el pla de polarització de la llum. Per exemple, el cristall líquid.
pot prendre el vector Trobem diferents polarització: per qualsevol z: tipus de Polarització lineal Polarització dextrògira Polarització levogira 5.1.1.3 Òptica quàntica Les ones electromagnètiques estan formades per fotons. Un fotó és la partícula quàntica elemental portadora de totes les formes de radiació electromagnètica. Té massa nul·la i viatja a través del buit a la velocitat de la llum, c. Presenta dualitat ona-partícula, per tant, es comporta diferent segons la situació.
Té comportament ondulatori en els fenòmens de refracció, difracció i interferència, mentre que té donada per la següent expressió: Quan interacciona amb la matèria, és important tenir present que el fotó segueix els principis de i del moment lineal.
5.1.2 Espectre electromagnètic Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato veure els intervals de freqüència i longitud d radiació electromagnètica.
5.1.3 Unitats radiomètriques i fotomètriques Anomenem radiometria la radiació electromagnètica. Anomenem fotometria a la part de la com a sensació lluminosa. Les unitats radiomètriques (Xe), doncs, fan (XV), mentre que les unitats radiació electromagnètica per produir sensació visual depèn de la seva de cada magnitud fotomètrica és proporcional al de la magnitud radiomètrica corresponent, on el factor de proporcionalitat K( ) és eficiència lluminosa espectral lluminosa espectral per una Magnitud Flux (radiatiu o lluminós) Intensitat (radiativa o lluminosa) Emitància (radiativa o lluminosa) Radiància o Luminància Irradiància o Iluminància Taula amb les magnituds radiomètriques i fotomètriques Descripció Símbol Equació e des de la font.
punt de la font Flux emès per unitat de superfície de la font.
Flux emès per unitat de superfície a un angle superfície.
Flux que arriba a una superfície per unitat de superfície a un angle respecte la normal a la superfície.
v Unitats W lm Ie Iv W sr-1 lm sr-1 cd Me Mv W m-2 lm m-2 lx Le Lv W m-2 sr-1 lm m-2 sr-1 cd m-2 Ee Ev W m-2 lm m-2 lx Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 5.2 TRANSICIONS RADIATIVES 5.2.1 Interacció entre electrons i fotons fotó on les seves energies i el moment lineal venen donats per les relacions següents: ia i conservació del moment lineal. Per tant: -se.
Vegem que, per que hi hagi absorció 5.2.1.1 Exercici: Demostrar que el moment lineal del fotó és (No fet a classe, va dir que hauríem de saber fer-ho) Dispositius Electrònics 5.2.2 Noelia Hernández Lobato Materials útils en optoelectrònica: gap directe i indirecte Quan parlem de materials semiconductors, ens podem referir a dos tipus: de gap directe i de gap indirecte.
. Si tots dos vectors coincideixen, es diu que el gap és directe. Quan els dos vectors són diferents, es diu que el gap és indirecte.
Band gap indirecte Band gap directe Degut a la conservació del moment, i degut que el moment del fotó és negligible respecte la k del electró, quan un fotó interacciona amb un electró, la transició ocorre mitjançant línies verticals en el diagrama de bandes en k. Per altra banda, les transicions horitzontals en el diagrama impliquen una conservació de Transició en band gap directe: En aquest tipus de semiconductors, els electrons només necessiten de un fotó per passar a la banda de conducció, ja que no hi ha diferència de k entre les bandes de valència i de conducció.
Transició en band gap indirecte electró de la banda de valència a la banda de conducció i fonó, que aporta molt poca energia però una gran variació de k i per tant pot contribuir a variacions horitzontals en el diagrama de bandes. Hem de tenir present, però, que com més partícules participin en un procés, menys probable en resulta.
5.2.2.1 Materials utilitzats en optoelectrònica Han de ser materials amb band gap directe, ja que vole Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato exemple, la radiació visible o la radiació infraroja.
Tot i que els materials més adients per treballar en optoelectrònica són aquells que compleixen les característiques esmentades, també es poden utilitzar materials amb band gap indirecte en detectors de llum, on a més de fotons, també hi ha fonons involucrats en les transicions radiatives. Tanmateix, aquests 5.2.3 Potència elèctrica vs. potència òptica La potència elèctrica determinat període de temps. Es defineix com seva energia: La potència òptica la llum és a dir, el flux de fotons multiplicat per la seva energia.
constant per tots aquells processos radiatius o no radiatius en els quals hi hagi involucrada una font de llum monocromàtica.
energia elèctrica, energia òptica i calor Per aquest motiu mai es poden igualar les potències elèctriques i òptiques, doncs hi ha una part de s perd en forma de calor i no es compliria dita igualtat.
5.2.4 Transicions radiatives Anomenem transició radiativa absorció, emissió espontània i emissió estimulada.
5.2.4.1 Absorció absorció del fotó. Observ moment, k.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato Quan un camp electromagnètic amb potència radiativa o fotons que el composen són absorbits i com a conseqüència la potència radiativa exponencialment amb la distància segons la següent expressió: On és el que determina fins quin punt una ona de concreta pot penetrar en un el fotó. Aquest coeficient i aquests exciten als electrons cap a la banda de conducció. En un m més idoni per la fabricació de cel·les solars.
ha travessat el material en una distància de 1/ .
5.2.4.2 Emissió espontània emissió espontània en semiconductors és el procés en el qual un electró que es troba en un estat excitat de la banda de conducció salta a un estat de la banda de valència. Com es Com diu el nom, és un procés espontani que depèn de la probabilitat de saltar. El funcionament del LED es basa en aquest principi.
5.2.4.3 (x) disminueix Emissió estimulada emissió estimulada: és el procés en el qual un electró que es conseqüència de interaccionar amb un fotó que té com a energia la diferència d El resultat irradiat i el resultant de la transició.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 5.3 EMISSORS DE FOTONS BASATS EN SEMICONDUCTORS 5.3.1 5.3.1.1 Eficiència quàntica Eficiència quàntica interna eficiència quàntica interna per un emissor (com un LED) com la ràtio de la velocitat de recombinació radiativa, és a dir, deguda a la emissió de llum (sr) respecte a la velocitat de recombinació total (s=sr+snr) On sr és el nombre de recombinacions electró-vacant que emeten un fotó per segon.
snr és el nombre de recombinacions electró-vacant que no emeten fotons per segon.
S és el nombre de recombinacions electró-vacant per segon.
dispositiu i podem veure, no pas la que surt del propi semiconductor i pot patir pèrdues pel camí abans de sortir del dispositiu.
5.3.1.2 Eficiència quàntica externa òptica externament per diversos factors: La llum que en surt fora pateix pèrdues de potència degut a fenòmens de reflexió o refracció.
Fora del material no hi ha mai fenòmens de reflexió total, de manera que sempre es perd una part Es defineix com eficiència quàntica externa a la ràtio de fotons que arriben a -vacant que tenen lloc.
erior per segon Dispositius Electrònics 5.3.2 Noelia Hernández Lobato LED: Light Emitting Diode 5.3.2.1 Recordem que els díodes eren dispositius electrònics que només funcionaven en forward bias, on els electrons de la banda de conducció del material de tipus N es movien per corrents de difusió cap a la zona ibera en 5 Quan la temperatura no és T=0K, els electrons de la banda de conducció poden tenir E=Eg + kB diferent. Per aquest motiu, el LED no és una font de llum perfectament monocromàtica, tot i que moltes vegades, aquest factor de kBT es pot negligir.
Per tant, el mecanisme que es emissió espontània.
Per exemple, uns materials molt utilitzat per la fabricació de LEDs són els compostos GaAs(1-x)Px, on x indica el nombre g=1.9 eV, que correspon al vermell. El mateix material dopat amb àtoms de nitrogen compostos de AlxGaAs(1-x) tenen comportaments similars als abans esmentats per fabricar LEDs grocs, els nitrurs de gal·li o per fer LEDs infrarojos.
5.3.2.2 Propietats típiques dels LEDs aproximar amb la següent expressió: El LED és el dispositiu electrònic més utilitzat en optoelectrònica per diverses raons: 5 Emet llum dispositius que emeten llum gairebé monocromàtica.
La ràtio de conversió de unitats radiomètriques a fotomètriques és prou bona (0,5 lm/W).
BT, no exactament kBT. Ho aproximem així.
Dispositius Electrònics - Noelia Hernández Lobato El temps de resposta és molt baix, sovint menor al s.
angle de visió o viewing angle, que es defineix com la distancia angular entre la direcció de major intensitat i la direcció en la qual la intensitat del LED ha decrescut fins la meitat del valor axial màxim.
5.3.3 Làser: Light Amplification by Stimmulated Emission of Radiation tot i que els mecanismes de transició radiativa són diferents. Concretament, el làser funciona mitjançant e el díode LED funciona amb emissió espontània. Per poder òptica ressonant.
5.3.3.1 la banda de conducció així com el nombre de vacants a la banda de valència es veuen incrementats.
inversió de població missió Per aconseguir que es doni la inversió de població es fa passar un corrent en una unió PN (díode) que bombegi electrons cap a la banda de conducció, de manera que apo per emissió estimulada.
característica que just a la unió PN es pot aconseguir aplicant un a la banda de conducció i una alta densitat de vacants a la banda de inversió de població.
Resulta important adonar-se que en un material semiconductor P o N aquest fenomen no podria succeir, ja que es necessita que hi hagi una discontinuïtat en els nivells de Fermi (degut a que apliquem un voltatge) perquè es pugui donar la inversió de població.
ó PN, ja que té la Dispositius Electrònics 5.3.3.2 Noelia Hernández Lobato Cavitat òptica de ressonància En la situació quantitat de radiació propagant-se dins el díode tendeix a incrementarinicial es veu amplificada.
La cavitat òptica de ressonància utilitza miralls per mantenir la major part de la radiació dins el semiconductor i només en deixa sortir una petita part en forma de llum coherent. Per aquest motiu, aquesta cavitat resulta de vital importància pel funcionament del làser, ja que plificació de la intensitat de llum.
La radiació electromagnètica (llum) dins el semiconductor, és a dir, la radiació que es troba atrapada entre els miralls desapareix als extrems del semiconductor, ja que en aquesta part no hi ha el procés dins del semiconductor són solucions de les següents equacions: On: L és el camí òptic, N un nombre enter, la radiació que surt del díode.
0 és la l 5.3.3.3 De manera general, per un làser basat en un semiconductor, el coeficient de guany no només ha de ser positiu sinó també més gran que el coeficient de pèrdua. Tenint això en compte, el corrent que es necessita subministrar a la unió PN per que el dispositiu comenci a treballar en mode làser és el corrent llindar, Ith.
Dispositius Electrònics 5.3.3.4 Diferències entre el Làser i el LED LED Llum incoherent Més manejable Freqüència de modulació fins als 100 MHz Amplada espectral de 30 fins a 100 nm Potència òptica fins a 1 mW Barat Poca linealitat Noelia Hernández Lobato Làser Llum coherent Necessita subministrament de corrent i control de temperatura. Poc manejable.
Freqüència de modulació fins als 10 GHz Amplada espectral de menys de 5 nm Potència òptica fins a 100 Mw Car Molta linealitat tat de superfície pot arribar a ser molt gran i pot en incrementar la temperatura considerablement.
5.3.4 Pantalles de cristall líquid (LCD, Liquid Crystal Displays) Tradicionalment els materials naturals es podien agrupar en tres estats diferents segons el seu grau Tanmateix, es poden trobar alguns compostos tant orgànics com inorgànics que, tot i que presenten una materials és el cristall líquid.
en sistemes de visualització en diferents dispositius, com calculadores. El seu funcionament es basa en m, entre dos polaritzadors que es troben rotats 90º entre ells. Les molècules que formen el cristall líquid es poden disposar de dues maneres diferents: helicoïdals en absència de camp elèctric i paral·leles al camp. Quan no hi ha camp elèctric aplicat la llum passa a través 90º, de manera que pot passar pel segon filtre. En canvi, quan hi ha camp elèctric, una força de gir orienta ctura helicoïdal. Això redueix la polarització de la llum i el dispositiu apareix gris.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 5.4 DETECTORS DE FOTONS BASATS EN SEMICONDUCTORS 5.4.1 Tipus de fotodetectors Un fotodetector és un dispositiu que mesura la potencia radiada mitjançant la conversió a una magnitud mesurable.
Un detector tèrmic doncs el temps necessari per incrementar la temperatura en un material és normalment lent.
Un detector fotònic és aquell en el que fotoelèctric.
5.4.2 5.4.2.1 Efecte fotoelèctric extern aquest escapa del potencial cristal·lí i es torna un electró lliure. A la figura següent veiem un esquema de el cas de metalls (esquerra) i en cas de semiconductors (dreta). Recordem que vam definir genera proporcional al nombre de fotons incidents.
Dispositius Electrònics 5.4.2.2 Noelia Hernández Lobato Efecte fotoelèctric intern cia salta a la banda de conducció, generant per tant, una vacant a la banda de valència.
elèctric aplicat.
e com indirecte. Només hem de poder canviar de k. Per tant, en els materials amb gap indirecte la transició és menys probable, tot i que no impossible.
5.4.3 Eficiència quàntica en fotodetectors fotodetectors que entren en el fotodetector. De igual manera que ho fèiem pels emissors, podem definir eficiència quàntica interna i externa per fotodetectors, només tenint en compte que en aquest cas, contem electrons respecte fotons.
quàntica externa, ja que té en compte fenòmens de pèrdua 5.4.4 Fotodíode Un fotodíode és un dispositiu semiconductor fabricat amb una unió PN, igual que un díode convencional, amb la diferència que és sensible a aquest crea un parell electró-vacant que genera un corrent en direcció N P, de manera que és contrària al sentit del corrent normal, és a dir, el que vindria donat per la difusió de portadors. Aquest corrent és el corrent fotogenerat.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 1. Regió de buidament o depletion area: Els electrons generats es mouran ràpidament cap a la regió camp elèctric. Per contrapartida, les vacants, com tenen càrrega contraria als 2. Prop de la regió de buidament: Degut que el procés de difusió és més lent que el procés de deriva, el corrent generat per difusió tindrà una resposta més lenta que el que es genera del mateix caire en la regió de buidament.
3. Al material, lluny del la unió PN (bulk vacants es mouen aleatòriament fins que es produeix la recombinació. No contribueixen al corrent en el fotodíode.
polarització directa (P N). En el sentit de la polarització directa el díode deixa passar el corrent elèctric i pràcticament no es permet el pas és dalt.
Per tant, per que el díode funcioni correctament ha de ser polaritzat de manera inversa, de tal manera de llum el corrent que passa és molt petita i reb el nom de corrent de foscor. Així doncs, el corrent que passa per un fotodíode ve donat per la següent expressió: -9 On Is 10-12 A) i Ip és el corrent fotogenerat.
A la figura següent trobem la gràfica I vs. V, on la potència elèctrica ve donada per P=IV.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato quadrant de la gràfica, el díode es troba dissipant energia. Tanmateix, quan la potència és negativa, és a potencial.
5.4.4.1 Tipus de configuracions en un fotodíode Un fotodíode es pot utilitzar en diferents configuracions: Mode fotovoltaic (circuit obert): Quan el díode està funcionant en circuit obert, el corrent global, de rebre llum. Es defineix el voltatge de circuit obert, Voc fotodíode quan el corrent és zero. La resposta del fotodíode, Re, en el mode fotovoltaic es mesura en [V/W] i no en [A/W].
externa: On ica.
La resposta del fotodetector ve donada per: Mode de curt-circuit: Quan el fotodíode està actuant en curt-circuit, el corrent generat correspon únicament al corrent fotogenerat, ja que la caiguda de potencial a través del fotodíode és zero.
Es defineix com corrent de curt-circuit, Isc (short circuit), al corrent que passa pel díode quan V=0.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 5.4.4.2 Un model simplificat per caracteritzar un díode, tant per quan es troba en ON com per quan es troba OFF, és el circuit següent: La part important en circuit és aquella que es troba encerclada en blau, ja que les resistències i terme, doncs sinó estaríem considerant que el díode té una capacitat de resposta infini important del circuit és veure que el corrent IL és de sentit contrari al corrent que passa pel díode, ja que aquest corrent correspon a la intensitat fotogenerada i és de signe contrari al corrent total (mirar fórmula de la intensitat del díode).
Els paràmetres que caracteritzen el comportament del díode (que per nosaltres no són importants) són: Rs: representa la resistència en sèrie del fotodetector i juntament amb la capacitat Cd determina Rsh: representa la resistència en paral·lel i pren valors des de 100 k fins a alguns M , de tal manera que el corrent que passa a través seu és molt petit, de manera que en molts casos és negligible.
ació inversa La font de corrent IL genera un corrent constant, el corrent fotogenerat, que flueix en direcció inversa al díode.
Dispositius Electrònics 5.4.5 Noelia Hernández Lobato Cel·la solar basada en semiconductors.
Per un fotodíode podem dibuixar el gràfic (1) de sota i veiem que la potència és positiva en el primer i en el tercer quadrant, és a dir, el dispositiu consumeix energia quan es troba treballant en aquestes regions.
Tanmateix, quan el fotodíode es troba treballant al quart quadrant, el corrent és negatiu però el voltatge és positiu i per tant, la potència és negativa, la qual cosa vol dir que el dispositiu genera energia (genera corrent). En aquesta regió és on treballen els fotodíodes que funcionen com cel·les solars. La potència màxima que es pot obtenir és aquella per la qual el producte I·V és màxim. Això condiciona el voltatge al M, per tenir IM, tal i com es pot veure al gràfic (2).
(1) (2) Es defineix el factor de forma, FF, que normalment pren un valor del voltant de 0,7-0,8 amb la següent expressió: Per construir una cel·la solar eficaç, hem de tenir present que la irradiancia solar és màxima en la regió del visible, tal com podem veure en la figura que es mostra a continuació. Per aquest motiu, és important buscar materials que el seu gap caigui dins de les energies pertanyents a la regió visible, com per exemple g=1.42eV, tot i que resulta massa car per fabricar cel·les solars i només aquelles aplicacions on el cost de manufactura és massa elevat. Desafortunadament, la fabricació de cel·les solars, tot i utilitzar silici continua sent massa costosa.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 2 nm: 5.4.6 Fotodetectors de band gap indirecte Com hem estudiat al llarg del tema, el procés per convertir llum en potència elèctrica esdevé mitjançant electró, en el qual el fotó xoca amb un electró de la banda de valència i li proporciona suficient energia per saltar a la banda de conducció.
En els materials amb band gap indirecte, com per exemple participació de tres partícules: un fotó, un fonó i un electró.
Per tant, com aquest procés és més complex que el abans explicat doncs hi participen més, la probabilitat que que són més barats. En el gràfic de la dreta es mostra com als i per 5.4.7 5.4.7.1 Altres tipus de fotodetectors Fotodetectors PIN semiconductor intrínsec o lleugerament dopat en mig dels materials convencional corrent fotogenerat i a més, augmentant la zona de buidament es resposta es fa més baix 5.4.7.2 Fotodetectors 6 (APD) molt útil per que llums tènues produeixin suficient potència elèctrica per ser detectades. La allau 1. Un fotó genera un parell electró-vacant.
6 Allau=avalancha Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 2.
elèctric, de manera que adquireix una energia cinètica. Quan g) aleshores es genera un segon parell electró-vacant. Aquest procés es quantifica mitjançant el coeficient de ionització dels electrons.
3. De manera simultània a com passava en 1, també es genera una vacant que es mou a favor del camp elèctric (de manera proporcional al coeficient de ionització dels forats) cinètica vacant, de manera que es continuaran generant parells electró- - ilitzen normalment per qualsevol tipus de fotodíode, sempre i quan, els coeficients de ionització siguin els adequats. Hem de tenir present que: Incrementar la se per succeir El procés de multiplicació és estadístic, de manera que el corrent fotogenerat conté molt de soroll.
5.4.7.3 Fotodetectors basats en unions metall-semiconductor (Fotodíodes amb barreres de Schottky) Aquest tipus de fotodetectors estan formats per una unió metall-semiconductor. En el seu funcionament un fotó genera un parell electró-vacant en el metall sempre i quan la seva energia sigui superior a la barrera de Schottky.
el camp elèctric els electrons comencen a conduir i es genera el corrent fotogenerat.
Els detectors basats en díodes de Schottky permeten, escollint el valor de la barrera, detectar longituds molt ràpids, ja que tenen valors de resistència menors als dels fotodíodes basats en la unió PN.
5.4.7.4 El fototransistor soroll generat pel procés aleatori de la generació de corrent.
olaritzat de manera que estigui operant en la regió activa (Ic= IB) on el corrent de base és el corrent fotogenerat. Per tant, el guany en el corrent del fotogenerat sense incrementar el soroll. Aquests transistors no tenen una bona resposta en freqüència per motius relacionats amb les unions, però són una bona aplicació quan es vol tenir un guany alt i poca incidència del soroll.
...

Comprar Previsualizar