Light Emitting Diodes (LED)

Transcript

1 Light Emitting Diodes (LED) ορθά πολωµένη p-n δίοδος LED ανακαλύφθηκαν το 1904 από SiC εν απαιτεί οπτική κοιλότητα και καθρέπτες, τυχαία φάση, ασύµφωνο φως Eυρος γραµµής nm, υποστηρίζει πολλούς ρυθµούς λειτουργίας Απαιτεί µικρότερη τάση πόλωσης

2 Scientific American Feb In Pursuit of the Ultimate Lamp, M. G. Craford, N. Holonyak, Fr. A. Kish LEDs convert electricity to colored light more efficiently, for red their efficiency is 10 times greater than incandescent lamp. LEDs last 100,000 hours, or about a decade of regular use (the average incandescent lasts about 1,000 hours). NASDAQ MARKETSITE TOWER, the world s largest video screen, uses 18,677,760 LEDs covering 10,736 square feet (~ 1000 m 2 ). Use in automobile industry, brake lights, turn signals side markers. Wavelength selectivity without use of filters. History 1960s first LED with low efficiency, every 1,000 electrons produced 1 photon. One tenth the amount of light found in a comparably powered red filter incandescent bulb N. Holonyack, Japan Prize for work in semiconductor light emitters and lasers, the first red Gallium Arsenide Phosphide LED M. Kramers, Hewlett-Packard, build LEDs that transform 55% of the incoming electrons to red photons. Inverted pyramid. The great White hope (now the best white LED cost 50cents/lumen, two orders higher then a lamp) Combining the output of red-green-blue or A LED photon excites Phosphor. Package a yellow Phosphor around a blue LED.

3

4

5 1997, Helwett-Packard group enhanced brightness by reshaping the chip. Remove of the original Gallium Arsenide wafer on which the active layer was grown, and replace it with a trasparent gallium phosphide wafer and sculpt an LED into a shape of an inverted pyramid. This shape decreases the number of internal reflections and boosts the amount of light escaping from chip.

6

7

8 Organic LED

9 DETECTORS Photoconductors: increase of conductivity of a specific region with photoexcitation Photodiodes PIN diodes: reverse-biased p-n junction Avalanche photodiode : include a high electric field region to multiply the photocurrent. Intrinsic: detects light close to the bandgap of the semiconductor Extrinsic: detects light of energy smaller than the bandgap, involves impurity and defect levels and transition between sub-bands energies in a quantum well

10 Το Φωτοηλεκτρικό φαινόµενο Η ένταση του φωτοηλεκτρικού ρεύµατος αυξάνεται ανάλογα µε την φωτεινή ένταση Η µέγιστη ταχύτητα των εκπεµπόµενων ηλεκτρονίων εξαρτάται µόνο από την συχνότητα της ακτινοβολίας Το φωτοηλεκτρικό ρεύµα εµφανίζεται µόνο όταν η συχνότητα της ακτινοβολίας είναι µεγαλύτερη από µια ελάχιστη τιµή χαρακτηριστική του υλικού της φωτοκαθόδου. Το φωτοηλεκτρικό ρεύµα εµφανίζεται σχεδόν ταυτόχρονα µε µε την πρόσπτωση της φωτεινής δέσµης στην φωτοκάθοδο V A + το ηλεκτροµαγνητικό κύµα αποτελείται απο φωτόνια ενέργειας hν

11 Φωτοπολλαπλασιαστές +100 V +300 V φωτοκάθοδος +200 V +400 V δύνοδοι Τα φωτοεκπεµπόµενα ηλεκτρόνια της φωτοκαθόδου επιταχύνονται από το στατικό ηλεκτρικό πεδίο και προκαλούν εκποµπή πολλαπλάσιων δευτερευόντων ηλεκτρονίων στην πρώτη δύνοδο. Το ίδιο επαναλαµβάνεται και στις επόµενες δυνόδους έως την έξοδο του φωτο/στη µε αποτέλεσµα την υψηλή ενίσχυση του αρχικού φωτοηλεκτρικού ρεύµατος. ευαισθησία ~ 10 Α/lm ενίσχυση λειτουργία ρευµατος ~10 6 σε VIS + UV Ι V = const Αποτελούν τους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές φωτονίων που διαθέτουµε! Φ χαρακτηριστική ρεύµατος - φωτεινής ροής

12 Φωτοαντιστάσεις φωτοαντίσταση µεταλικά ηλεκτρόδια φωτοαγώγιµος ηµιαγωγός Ι αυξανόµενη Φ διηλεκτρικό Φ= 0 lm χαρακτηριστική ρεύµατος - φωτεινής ροής Ι V = const V χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος Φ Αύξηση της αγωγιµότητας µε κατα την φωτοδιέγερση

13 Φωτοδίοδοι φωτοδίοδος n p n p + Ι αυξανόµενη Φ n + Φ= 0 lm χαρακτηριστική τάσης-ρεύµατος V Ι V = const χαρακτηριστική ρεύµατος - φωτεινής ροής Φ ευαισθησία ~ 10 ma/lm λειτουργία έως και ~ 10 Ghz VIS + UV+ IR

14 Οι Φωτοδίοδοι χρησιµοποιούνται στις οπτικές επικοινωνίες και CD. Ηενέργεια των φωτονίων πρέπει να είναι µεγαλύτερη από το χάσµα του ηµιαγωγού. Το Si ανιχνεύει φως µήκους κύµατος <1 µm, αλλά δεν χρησιµοποιείται στις τηλεπικοινωνίες στα 1.3 και 1.5 µm. Το Ge ανιχνεύει µεγαλύτερα µήκη κύµατος αλλά µε µεγάλο dark current. InGaAs είναι το πλέον κοινό υλικό ανίχνευσης φωτός στις οπτικές επικοινωνίες. P-i-N Photodiode Avalanche Photodiode Metal-Semiconductor-Metal Photodiode

15 PiN photodiode Φως απορροφάται από την εγγενή περιοχή. Το φωτόνιο που απορροφάται δηµιουργεί ένα ηλεκτρόνιο στην ζώνη αγωγιµότητας και οπή στην ζώνη σθένους. Ηλεκτρόνια και οπές επιταχύνονται στην αντίθετη κατεύθυνση και ολισθαίνουν στην n και p περιοχή αντίστοιχα. Κάθε ζευγάρι φορέων συνεισφέρει στο ρεύµα του εξωτερικού κυκλώµατος. Η ταχύτητα απόκρισης της pin φωτοδιόδου καθορίζεται από τον χρόνο που απαιτείται να µετακινηθούν οι φορείς από την εγγενή περιοχή και από την χωρητικότητα της συσκευής. Pin φωτοδίοδοι δουλεύουν στα 40 GHz, µε απόκριση µερικά ps.

16 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ ρολόι εικονοστοιχείο ηλεκτρόδια έναρξη καταχωρητής CCD φωτοδίοδοι... υπόστρωµα p video κανάλι n φωτοευαίσθητος όγκος ~ 20 µm σειριακός καταχωρητής CCD παράλληλος καταχωρητής τυπικό εικονοστοιχείο (pixel) CCD κάµερας Η CCD κάµερα αποτελείται απο διατεταγµένες φωτοδιόδους. Το φως που προσπίπτει σε κάθε φωτοδίοδο δηµιουργεί φωτορεύµα µε αποτέλεσµα τη συσσώρευση φορτίου. Το συσσωρευµένο φορτίο είναι ανάλογο του χρονικού ολοκλήρωµατος της έντασης του φωτός.