SORGENTI a SEMICONDUTTORE

Presentazione sul tema: "SORGENTI a SEMICONDUTTORE"— Transcript della presentazione:

1 SORGENTI a SEMICONDUTTORE
Diodi emettitori di luce (LED) Diodi laser (LD)

2 Modello dell’atomo Niels Bohr (1913): hn = E1 - E2
J.J. Thomson (fine ‘800) Sfera di carica positiva nella quale stanno immersi i grumi di carica negativa (elettroni) Ernest Rutherford (1911) La carica positiva è concentrata in un nucleo (105 volte più piccolo dell’atomo) Orbita dell’elettrone qualsiasi purchè: Niels Bohr (1913): Livelli discreti Transizioni accompagnate da assorbimento o emissione di quanti di energia hn = E1 - E2

3 Livelli e Bande di energia
Rappresentazione schematica di come i livelli di energia di atomi interagenti formino bande di energia al decrescere della distanza interatomica Banda di valenza : banda riempita di energia più alta (T = 0 K) Banda di conduzione: banda vuota superiore (T = 0 K)

4 Diagramma a bande di energia
Ec banda di conduzione Eg Ev banda di valenza coordinata locale coordinata locale conduttori isolanti

5 Funzione di Fermi-Dirac
Considerando che gli elettroni obbediscono al Principio di esclusione di Pauli, la probabilità che un particolare livello di energia sia occupato, alla temperatura T, è data dalla statistica di Fermi-Dirac. La distribuzione di Fermi-Dirac è data da: per E = EF F(E) = 1/2 qualsiasi sia T EF = livello di Fermi

6 Semiconduttori intrinseci (T= 0°K)
vuota piena Diagramma a bande di energia Funzione di Fermi-Dirac probab. 0% [(f(E)=0] che i livelli di energia siano occupati da un elettrone probab. 100% [(f(E)=1] che i livelli di energia siano occupati da un elettrone

7 Semiconduttori intrinseci (T> 0°K)
f(E) = funzione di Fermi-Dirac f(E) = probabilità che un certo stato di energia sia riempito da un elettrone 1-f(E) = probabilità che sia vuoto

8 Semiconduttori drogati n

9 Semiconduttori drogati p

10 . . . . . . . . . . . Semiconduttori drogati b. di conduzione EFn EFp
o o o o o EFn EFp b. di valenza

11 Giunzione p-n non polarizzata (all’equilibrio termico)
V0 = potenziale di contatto np = concentrazione di elettroni nella b. di conduzione del tipo p ne = concentrazione di elettroni nella b. di conduzione del tipo n o o o o EF eV0 Eg la barriera di potenziale impedisce il flusso di cariche livello di Fermi

12 LED (Light Emitting Diode)
Giunzione p-n polarizzata direttamente LED (Light Emitting Diode) - V + V la polarizzazione diretta fa diminuire la barriera di potenziale. e(V0-V) Si ha un flusso di cariche (corrente) di energia sufficiente a superare la barriera. Per effetto dell’ ‘inversione di popolazione che si crea fra b. di conduzione e b. di valenza, alcune coppie si ricombinano dando luogo all’emissione di fotoni Eg EFp EFn eV o o o o n = Eg / h

13 Giunzione p-n fortemente drogata
Se i semiconduttori sono fortemente drogati, il livello di Fermi (quasi Fermi level) va a trovarsi all’interno della banda di conduzione per i semiconduttori di tipo n (n+) e all’interno della banda di valenza per i semiconduttori di tipo p (p+). Si usano alti drogaggi per aumentare la probabilità di ricombinazione radiativa delle coppie elettrone-lacuna. La figura sottostante mostra il diagramma di energia di una giunzione p+-n+, polarizzata in modo diretto. da: B.E.A. Saleh, M.C.Teich, “Fundamental of Photonics”, p.601

14 . . . . . . Giunzione p-n polarizzata inversamente + V - V EF EFp Eg
o o o o o o EF e(V0 + V) Eg eV EFn EFp la polarizzazione inversa aumenta la barriera di potenziale

15 da: S.O.Kasap, “Optoelectronics and Photonics”, Prentice Hall, 2001

16

17

18 da: S.O.Kasap, “Optoelectronics and Photonics”, Prentice Hall, 2001

19 da: S.O.Kasap, “Optoelectronics and Photonics”, Prentice Hall, 2001

20

21 da: S.O.Kasap, “Optoelectronics and Photonics”, Prentice Hall, 2001

22 Diodi Emettitori di Luce (LED)
Giunzione p-n polarizzata direttamente La luce è generata per emissione spontanea Tipica configurazione di un LED:

23 Tipica curva caratteristica di un LED : andamento della intensità luminosa vs. corrente diretta
Tipico spettro di un LED (GaAsP, emissione nel rosso) : intensità luminosa vs. lunghezza d’onda

24 Riduzione delle perdite per riflessione nei LED
da: S.O.Kasap, “Optoelectronics and Photonics”, Prentice Hall, 2001

25 Vari tipi di LED

26

27 LEDs per comunicazioni ottiche
SLED emittenti dalla superficie (tipo Burrus) ELED emittenti dal bordo fascio ellittico

28 Accoppiamento con fibre ottiche nei SLED

29 Accoppiamento con fibre ottiche nei ELED

30 l = h c / Eg Lunghezza d’onda di emissione dei LED
La lunghezza d’onda di emissione di un LED dipende dal tipo di materiali costituenti la giunzione, cioè dal “gap” di energia Eg fra banda di conduzione e banda di valenza l = h c / Eg es: GaAs (Eg = eV)  l = 0.86 mm InGaAs (Eg  1 eV)  l = 1.25 mm GaP (Eg 2.26 eV)  l = 549 nm h = 6.63 ·10-34 J ·s = 4.1 ·10-15 eV ·s h c = 1.24 ·10-6 eV · m

31 Efficienza quantica di un LED
efficienza quantica interna se in una giunzione polarizzata direttamente si considera il numero totale di coppie elettrone-lacuna che si ricombinano, hint indica quale frazione di tali coppie dà luogo all’emissione di un fotone. (Non tutte le ricombinazioni danno luogo ad emissione di fotoni, ad es. alcune danno luogo ad emissione di fononi, cioè a vibrazioni del reticolo) hint= [(n° ricombinazioni radiative) / (n° ricombinazioni totali)] ·100 efficienza quantica esterna hext esprime l’efficienza nella conversione dell’energia elettrica in energia ottica emessa. (Comprende l’efficienza interna e l’efficienza di estrazione dei fotoni dal dispositivo). (Tiene conto del fatto che alcuni fotoni emessi vengono riassorbiti e, inoltre, del fatto che esistono varie riflessioni alle interfacce) hext= [(Potenza ottica) / (Potenza elettrica)] ·100 dove: Potenza elettrica = V ·I

32 da: B.E.A. Saleh, M.C.Teich, “Fundamental of Photonics”, p.605

33

34 da: J. Wilson, J. Hawkes, “Optoelectronics”, Prentice Hall Europe, 1998

35 LED a luce bianca La luce bianca è ottenuta con 3 differenti metodi:
combinando nelle opportune proporzioni la luce di 3 LEDs RGB (rosso, verde, blu) combinando un LED UV(ultravioletto) con fosfori RGB combinando un LED blu GaN (nitruro di gallio) emittente a nm, con fosfori

36

37

38 Schema semplificato per il pilotaggio di un LED

39 Schemi semplificati per la modulazione di un LED

40 Schemi semplificati per la modulazione di un LED
modulazione digitale modulazione analogica

41 Laser a semiconduttore (LD)
Principio di funzionamento simile a quello dei LED La giunzione p-n costituisce il mezzo attivo. Per ottenere l’effetto laser occorrono: inversione di popolazione e feedback ottico (emissione stimolata) Per aumentare l’inversione di popolazione (e favorire l’emissione stimolata) la giunzione è formata di solito da materiali p e n molto drogati. In un materiale di tipo n molto drogato (n+) il livello di Fermi si trova nella banda di conduzione; per un materiale di tipo p molto drogato (p+) il livello di Fermi si trova nella banda di valenza

42 Feedback ottico nei diodi laser
La cavità risonante dei diodi laser (necessaria per ottenere un feedback ottico positivo) viene realizzata senza inserire specchi, ma semplicemente lavorando otticamente le superfici del cristallo. L’indice di rifrazione elevato dei semiconduttori (es. n=3.6 per il GaAs) fa in modo che la riflessione all’interfaccia con l’aria sia sufficientemente elevata ( 32%) Dall’equaz. di Fresnel, la riflettanza è: R = (n2 - n1)2 / (n2 + n1)2 Nel caso di GaAs n2 = 3.6 quindi: R = (3.6 -1)2 / ( )2 = 0.32

43 Caratteristica intensità luminosa - corrente di un diodo laser
sensibilità alla temperatura della caratteristica di un diodo laser

44 Diodo Laser vs.LED confronto fra la potenza ottica di uscita vs. corrente di un LD e di un LED confronto fra lo spettro di emissione dei un LD e quello di un LED da: Tinge Li, “Topics in lightwave transmission systems”, Academic Press, 1991

45 Esempio di semplice sistema di trasmissione digitale in fibra ottica

46 Singola giunzione (homojunction)
I materiali costituenti la giunzione hanno lo stesso gap di energia Eg La concentrazione delle cariche iniettate diminuisce secondo una legge esponenziale, determinando una diffusione al di fuori della regione di ricombinazione. Quindi, una frazione considerevole delle cariche minoritarie, non contribuisce all’emissione stimolata. Ciò determina la necessità di alte correnti per raggiungere la soglia di emissione stimolata

47 Eterogiunzioni- Confinamento delle cariche

48 Confinamento elettrico e ottico

49 Struttura interna di un modulo laser per comunicazioni ottiche
diodo laser (LD) + fotodiodo (PD) optical fiber or Una parte dell’emissione del LD è raccolta dal PD, che fornisce un segnale di feedback utile per regolare la potenza emessa dal LD LD polarizzato direttamente PD polarizzato inversamente LDC = Laser Diode Cathode PDA = Photo Diode Anode COM+ = Common Positive Terminal Poichè la risposta dei LD è sensibile alla temperatura, di solito questi moduli includono anche un sistema di termostatizzazione della giunzione del LD, realizzato con celle Peltier. Un tale sistema è detto Termo Electic Cooler (TEC)

50 Termo Electric Cooler

51 Schema semplificato di alimentatore per moduli laser