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L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 1 Dispositivi optoelettronici (1) Sono dispositivi dove giocano un ruolo fondamentale sia le correnti.

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1 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 1 Dispositivi optoelettronici (1) Sono dispositivi dove giocano un ruolo fondamentale sia le correnti elettriche che i fotoni, le particelle base della radiazione elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate sia da Una lunghezza d’onda  che da una frequenza che Sono tra loro in relazione tramite la legge: = c = velocità della luce nel vuoto = km/s Inoltre i fotoni sono portatori di una energia E = h 

2 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 2 Dispositivi optoelettronici (2) Es. luce verde  = 0,5  m  E = 2,48 eV

3 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 3 Dispositivi optoelettronici (3) I fotoni interagiscono con gli elettroni in tre modi: Assorbimento: un fotone viene assorbito da un elettrone che va dal livello energetico iniziale E 1 al livello eccitato E 2, con: E 2 =E 1 +h. Emissione spontanea: l’elettrone che si trova in uno stato eccitato decade dal livello E 2 al livello E 1, con E 1 = E 2 - h. Emissione stimolata: un elettrone che si trova in uno stato eccitato, che viene colpito da un fotone può diseccitarsi emettendo un altro fotone.

4 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 4 Dispositivi optoelettronici (4)

5 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 5 Assorbimento (1)

6 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 6 Assorbimento (2) Se il fotone ha una energia uguale a E g o superiore, all’atto dell’assorbimento si ha una creazione di coppia lacuna-elettrone, con l’elettrone che passa nella banda di conduzione. Se l’energia è superiore, l’elettrone passa nella banda di conduzione e l’energia in eccesso viene dissipata sotto forma di calore. Se l’energia è inferiore non si ha una transizione, a meno che non esistano livelli disponibili all’interno della banda proibita.

7 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 7 Diodi emettitori di luce (1) I diodi emettitori di luce (LED) sono giunzioni p-n in grado di emettere radiazioni nella regione dell’ultravioletto o del visibile o dell’infrarosso. I LED a luce visibile devono emettere fotoni nello spettro del visibile  0,5  m < < 0,7  m  2,6 eV > energia del fotone > 1,8 eV La larghezza della banda proibita deve riflettere questi limiti. Giunzioni adatte si ottengono scegliendo opportunamente i materiali: es. arseniuro di gallio.

8 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 8 Diodi emettitori di luce (2) La geometria tipica della giunzione è quella planare. Il meccanismo di funzionamento è abbastanza semplice: Si applica una tensione di polarizzazione diretta alla giunzione p-n che genera così coppie elettrone-lacuna; queste coppie si ricombinano emettendo i fotoni visibili. Per rendere efficiente il meccanismo occorre che i fotoni emessi siano in quantità sufficiente e che non vengano persi prima di arrivare alla lente di materiale plastico che ne permette la visualizzazione.

9 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 9 Diodi emettitori di luce (3) Una volta emessi i meccanismi di perdita principali sono: Assorbimento all’interno del LED Perdite per rifrazione aria-semiconduttore Perdite per riflessione totale interna della luce (angoli maggiori dell’angolo critico) Alcuni effetti si possono minimizzare ad esempio con la scelta di substrati trasparenti e superfici interne riflettenti.

10 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 10 Diodi emettitori di luce (4)

11 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 11 Diodi emettitori di luce (5) Una importante applicazione dei diodi all’infrarosso è il disaccoppiamento, tra segnali di ingresso e di uscita. LED fotodiodo Segnale di ingresso Segnale di uscita fotone

12 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 12 Diodi emettitori di luce (6) Il meccanismo di funzionamento è il seguente: Si applica una tensione alla giunzione, si creano coppie elettrone-lacuna che poi si ricombinano dando origine alla emissione dei fotoni. Questi vengono poi inviati ad un dispositivo ricevente (fotodiodo) che col meccanismo inverso assorbe il fotone e crea una coppia elettrone-lacuna che fornisce i portatori di carica necessari a produrre la corrente nel circuito di uscita.

13 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 13 Collegamento a fibre ottiche (1) Un’altra applicazione è la trasmissione di segnali ottici lungo le fibre ottiche. Infatti uno dei vantaggi è che il segnale si propaga alla velocità della luce nel mezzo trasmissivo. Una fibra ottica è una guida d’onda per le frequenze ottiche capace di trasportare i segnali anche per molti chilometri senza degradare l’informazione grazie al fenomeno della riflessione totale.

14 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 14 Collegamento a fibre ottiche (2)

15 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 15 Collegamento a fibre ottiche (3)

16 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 16 Display a LED Display a LED a 7 segmenti Display a LED a matrice di punti

17 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 17 Laser a semiconduttore (1) I laser sono dispositivi che sfruttano l’emissione stimolata di radiazione per produrre radiazione con le seguenti caratteristiche:  praticamente monocromatica (energia ben definita  frequenze ben definite)  altamente direzionale (piccolissima divergenza angolare del fascio).

18 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 18 Laser a semiconduttore (2)

19 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 19 Laser a semiconduttore (3) L’inversione di popolazione si genera tramite il passaggio di una corrente, con lo scopo di eccitare i portatori di carica (elettroni e coppie elettrone-lacuna) nel piano di giunzione tra due regioni diversamente drogate.

20 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 20 Laser a semiconduttore (4) Le correnti impiegate in un sistema a semiconduttore risultano inferiori (20 mA) di quelle usate, ad esempio, in un sistema laser a gas.

21 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 21 Laser a semiconduttore (5) I laser a semiconduttore presentano inoltre le seguenti caratteristiche:  Dimensioni molto ridotte (0,1  m di lunghezza)  Estrema facilità di modulazione tramite la corrente di polarizzazione. I campi di applicazione: comunicazione su fibra ottica, registrazione video, lettura ottica, stampa ad alta velocità, spettroscopia a gas.

22 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 22 Fotorivelatori (1) I fotorivelatori sono dispositivi che convertono radiazione luminosa in segnali elettrici. Il meccanismo di funzionamento è divisibile in:  Generazione di portatori di carica da parte della luce  Trasporto e/o amplificazione dei portatori  Interazione della corrente col circuito esterno per generare il segnale elettrico in uscita.

23 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 23 Fotorivelatori (2) Fotoconduttore

24 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 24 Fotoresistenza La fotoresistenza e costituita da materiali fotoconduttivi, come il solfuro di cadmio ed il solfuro di piombo, caratterizzati dalla proprieta di diminuire la loro resistenza al crescere della radiazione luminosa incidente. Resistenza = 1 MΩ, in condizioni di totale oscurita, Resistenza = 100Ω, quando sottoposto a forti flussi luminosi.

25 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 25 Fotodiodi Un fotodiodo è una giunzione p-n polarizzata inversa. Quando i fotoni incidono sul fotodiodo si generano coppie elettrone lacuna che vengono separate e generano corrente nel loro moto di allontamnamento dalla regione di svuotamento. I fotodiodi devono essere sottili per poter funzionare ad alta velocità, e contemporaneamente devono essere abbastanza spessi per permettere un sufficiente assorbimento di fotoni.

26 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 26 Silicon PhotoMultiplier (1) L'idea è di lavorare nella regione immediatamente vicina alla tensione di breakdown (10-20% superiore) per far partire una scarica a partire da una singola coppia. In questo modo si ha un segnale grande.

27 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 27 Silicon PhotoMultiplier (2) I SiPM sono rivelatori che servono a contare i singoli fotoni. Per far questo se ne mettono molti riuniti in una matrice e si sommano i loro segnali. L'andamendo del segnale sarà a gradini:

28 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 28 Silicon PhotoMultiplier (3) Risposta di un SiPM a impulsi luminosi da un LED molto debole Si evidenziano i picchi dovuti ad un diverso numero di fotoni.

29 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 29

30 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 30

31 L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici 31


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