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 = 300.000 km/s Inoltre i fotoni sono portatori di una energia E = h  L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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

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 E1 al livello eccitato E2, con: E2 =E1+h . Emissione spontanea: l’elettrone che si trova in uno stato eccitato decade dal livello E2 al livello E1, con E1 = E2 - h . Emissione stimolata: un elettrone che si trova in uno stato eccitato, che viene colpito da un fotone può diseccitarsi emettendo un altro fotone. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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

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

Assorbimento (2) Se il fotone ha una energia uguale a Eg 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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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

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

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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

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

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

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). L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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: L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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. L. Servoli - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici

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