Overview of optoelectronic devices

Transcript

1 Overview of optoelectronic devices LEDs Laser diodes Optical amplifiers Photodetectors Photovoltaics-Solar Cells Light Modulators

2 ίοδος εκποµπής φωτός ιάταξη που εκπέµπει αυθόρµητα φως λόγω έγχυσης των φορέων µέσω επαφής p-n. p n ηλεκτρόνιο οπή Ε F Ε F hv E g hν Eg έγχυση των φορέων µειονότητας µέσω της επαφής p-n οδηγεί σε ακτινοβολητική επανασύνδεση (electroluminescence) των ηλεκτρονίων (ΖΑ) µε οπές (ΖΣ). το µήκος κύµατος εκποµπής της LED καθορίζεται από το ενεργειακό χάσµα του ηµιαγωγού που χρησιµοποιείται στo LED.

3 Φάσµα εκποµπής Το φάσµα εκποµπής προσδιορίζεται από την ανηγµένη πυκνότητα καταστάσεων στις ΖΑ και ΖΣ και την θερµική κατανοµή φορέων (κατανοµή Fermi-Dirac) κοντά στο ενεργειακό χάσµα. Π.χ. σε 3D: θερµική κατανοµή ηλεκτρονίων Τ=0Κ Τ 0Κ θερµική κατανοµή οπών I PL ( hω) hω E g exp ( ( hω E ) / kt ) 0 g for hω for hω < E E g g εύρος φάσµατος εκποµπής ~ kτ

4 Παράδειγµα GaAs LED Η ενέργεια εκποµπής µεταβάλλεται µε τη θερµοκρασία. µεγαλύτερη Τ µικρότερο ενεργειακό χάσµα µικρότερη ενέργεια φωτονίου

5 Παραδείγµατα φασµάτων LED

6 Ακτινοβολητική κβαντική απόδοση Η ικανότητα µετατροπής ζευγών ηλεκτρονίων-οπών σε φωτόνια εξαρτάται από τον ανταγωνισµό µεταξύ ακτινοβολητικών (τ R ) και µη ακτινοβολητικών (τ NR ) χρόνων επανασύνδεσης και µετράται από την ακτινοβολητική κβαντική απόδοση: η R τ = τ total R Αν η διάταξη έχει λίγες ατέλειες, τ NR >> τ R, και η R 1 = τ τ NR + τ NR R Ενας τρόπος να αυξηθεί το η R είναι µε τον χωρικό περιορισµό των ηλεκτρονίων και οπών σε µία σχετικά µικρή ζώνη (active region). Αυτό επιτυγχάνεται µε το LED ετεροδοµής. Επιπλέον, τα παραγόµενα φωτόνια δεν κινδυνεύουν από επαναπορρόφηση, γεγονός που αύξάνει την συνολική απόδοση της διάταξης. διαφανής ΖΑ διαφανής holes ΖΣ p-algaas p-gaas n-algaas

7 Συνολική Απόδοση του LED Ή αλλοιώς, Wall-plug efficiency: WPE = P light VI output Βασικός τρόπος κατασκευής πάνω επαφή (+) n 1 Θ c n 2 p n κάτω επαφή (+) υπόστρωµα Η συνολική απόδοση προσµετράει τον αριθµό των φωτονίων που τελικά διαφεύγουν από τη δοµή της διόδου LED. Μηχανισµοί απώλειας που επηρεάζουν την συνολική απόδοση: (1) επαναπορρόφηση µέσα στο LED (2) απώλειες Fresnel : ένα µέρος του φωτός ανακλάται πίσω, συντελεστής ανάκλασης R={(n 2 -n 1 )/(n 2 +n 1 )} (3) απώλειες ολικής ανάκλασης : όλο το φως ανακλάται πίσω όταν θ> θ C µεθ C =sin -1 (n 1 /n 2 ) κρίσιµη γωνία[π.χ. θ C =17 για διεπιφάνεια GaP/αέρα µε n 2 =3.45, n 1 =1]

8 Τρόποι βελτίωσης συνολικής απόδοσης αλλάζοντας την γεωµετρία του LED µπορούµε να έχουµε την επιθυµητή γωνιακή κατανοµή του εκπεµπόµενου φωτός χρησιµοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις λόγω σχετικά µεγάλου κόστους κατασκευής

9 Συσκευασία & Ενθυλάκωση Έγχρωµος εποξικός φακός λειτουργεί ως φίλτρο και ως τρόπος ελέγχου του κώνου εξόδου των φωτονίων. προστατεύει την LED από σκόνες, υγρασία κλπ. αυξάνει την συνολική απόδοση κατά 2-3 φορές απλά µε αλλαγή του δείκτη διάθλασης από 1 στον αέρα σε 1.6 του εποξικού υλικού (index matching).

10 Τηλεπικοινωνίες µε υπέρυθρα LED Εφαρµογές local area network (LAN) µικρότερες απώλειες στην οπτική ίνα Ροή δεδοµένων στα 160MHz

11 Total 2002 market of 3 billion $.

12 The GaN LED revolution Από την τεχνολογία GaN έχουν πρόσφατα προκύψει αποδοτικά µπλε LEDs που ανοίγουν το δρόµο για πληθώρα νέων εφαρµογών που έχουν κωδικοποιηθεί σαν εφαρµογές Solid State Lighting.

13

14

15 LED lighting consumes 10 times less power

16 Global Warming / Energy Savings Potential

17 ίοδοι Laser (Laser Diodes) ιατάξεις µε εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός ως αποτέλεσµα έγχυσης φορέων σε µία δίοδο p-n. Έχει οµοιότητες µε το LED αλλά βασίζεται στην εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός καθρέπτης 1 R=0.99 LED καθρέπτης 2 R=0.90 σύµφωνο φως, ένα µήκος κύµατος Edge-emitting laser diode: Sze καθρέπτης 2 καθρέπτης 1

18 Εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός Laser Αερίου (σύστηµα δυο-σταθµών, two-level system): N 2 Ν 1 Απαίτηση: αναστροφή πληθυσµού N 2 >N 1 οι καθρέπτες ανακυκλώνουν τα φωτόνια Laser Ηµιαγωγών (ηλεκτρονικές ζώνες): Απαίτηση: α <0 Ενίσχυση φωτός: I(x)=I 0 exp(-αx) g=-α λέγεται συντελεστής οπτικής ενίσχυσης

19 Αναγκαίες συνθήκες για δράση ΛΕΙΖΕΡ 1) Τρόπος διέγερσης του υλικού (συνήθως ρεύµα), έτσι ώστε, 2) το υλικό να παρουσιάζει οπτική ενίσχυση. 3) Τέλος χρειάζεται και οπτική ανάδραση, δηλαδή τα φωτόνια να περνάνε πολλές φορές µέσα από το διεγερµένο υλικό. Αυτό επιτυγχάνεται µε οπτικούς καθρέπτες. Βασικά χαρακτηριστικά Μονοχρωµατική εκποµπή φωτός Σύµφωνο φως Κατευθυνόµενη δέσµη Συχνότητα διαµόρφωσης µέχρι 20GHz Μπορούν να παράγουν µεγάλη ισχύ (µέχρι µερικά Watts) Μεγάλη απόδοση µετατροπής ηλεκτρικού ρεύµατος σε φως (>50% ) Μικρές διατάξεις: τυπικά 300 µm 1 µm 50µm

20 Κύριες εφαρµογές των LDs

21 Oπτικές τηλεπικοινωνίες µε οπτικές ίνες A GaAs laser diode pigtailed to a fiber A 1550nm DFB InGaAsP laser diode pigtail-coupled to a fiber

22 CD / DVD players

23 Ηµιαγωγοί για LD GaN

24 Τυπική δοµή διοδικού λέιζερ Με ένα ή περισσότερα QWs

25 Molecular Beam Epitaxy -Ultrahigh vacuum (expensive) -Growth rate µm/hr (slow), but -Control of heterostructure parameters down to a few A -high optical and structural quality -high purity

26 ύο βασικές κατηγορίες LDs In-plane edge emitting LDs Current Current Current and photons Current and photon and carrier confinement (Burried heterostructure lasers)

27 Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) SI oxide DBR 1 DBR 2 Current and photon confinement To bypass the p-side contact problem

28 Μετάβαση από LED σε LD Χαµηλό ρεύµα: αυθόρµητη εκποµπή (θετικός συντελεστής απορρόφησης) Όταν µεγαλώνει η τάση κάποια στιγµή φτάνουµε στο ρεύµα κατωφλιού I th οπού έχουµε εξαναγκασµένη εκποµπή (αρνητικός συντελεστής απορρόφησης) και εκπέµπεται µονοχρωµατική και κατευθυνόµενη δέσµη. LD LD συµπεριφέρεται ως LED φάσµα εκποµπής LD LD συµπεριφέρεται ως LED

29 Οπτικοί ενισχυτές Pump current Signal in Active region Signal out AR = Antireflection coating AR (a) Traveling wave amplifier Partial mirror Partial mirror (a) Fabry-Perot amplifier Simplified schematic illustrations of two types of laser amplifiers 20dB ενίσχυση 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Many passes, higher gain, less stable. A 1550nm semiconductor optical amplifier by Alcatel using an InGaAsP chip

30 Photodetectors V r (a) Electrode SiO 2 p + I ph R V out hυ > E g h + E e n Antireflection coating W Electrode Depletion region (b) ρ net en d x (c) en a E(x) x E max Selection of commercial InGaAs photodetectors (a) A schematic diagram of a reverse biased pn junction photodiode. (b) Net space charge across the diode in the depletion region. N d and N a are the donor and acceptor concentrations in the p and n sides. (c). The field in the depletion region S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

31 Photon energy (ev) Ge In 0.7 Ga 0.3 As 0.64 P α (m -1 ) Si GaAs InP In 0.53 Ga 0.47 As a-si:h Wavelength (µm) Absorption coefficient (α) vs. wavelength (λ) for various semiconductors (Data selectively collected and combined from various sources.) Figure 5.3

32 Avalanche Photodiode (APD) Electrode SiO 2 I ph R E hυ > E g n + p e h + š p + (a) ρ net Electrode (b) x E(x) (c) Absorption region x Avalanche region (a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biased for avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) The field across the diode and the identification of absorption and multiplication regions S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Internal gain mechanism. Photocurrent amplified by impact ionization by as much as a factor of 100.

33 Impact ionization E h + E e E c e E v h + n + p š Avalanche region (a) (b) (a) A pictorial view of impact ionization processes releasing EHPs and the resulting avalanche multiplication. (b) Impact of an energetic conduction electron with crystal vibrations transfers the electron's kinetic energy to a valence electron and thereby excites it to the conduction band S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

34 Photovoltaic devices Solar cells Honda s solar-powered car, winner of the 3000km race In 4days (1996). Consumes no fuel No pollution

35

36

37

38

39