DISPOSITIVOS FOTÓNICOS Nadège Barrage Tristan Brillet de Cande Cristina Zúñiga Arnaiz Belén Guijarro Bueno
DISPOSITIVOS FOTÓNICOS
Nadège BarrageTristan Brillet de Cande
Cristina Zúñiga ArnaizBelén Guijarro Bueno
Introducción
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Definición: generación, detección, control y aplicación de la luz en diversos campos de la tecnología.
Aplicación: Telecomunicaciones y optoelectrónica.
Principio: combinación simultanea de microelectrónica y fotónica gracias a los semiconductores
Objetivo: convertir luz en corriente eléctrica (detectores, fotodiodos y células solares) o el contrario (diodos emisores de luz).
Aplicaciones concretas: Detectores de luz, células solares, indicadores, semáforos, luces de freno de los coches, lámparas, láseres, reproductores de CD y DVD, impresoras laser, etc.
Fotónica
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
Funcionamiento:
- Se basa en la colección de los portadores de carga que son generados por los fotones absorbidos dentro de un material
- Longitud de onda detectable máxima :
- Si , el material se hace transparente.Si , la absorción es tan importante que los fotones se absorben muy cerca de la superficie del semiconductor.
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Los fotodetectores en general
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Fabricación y uso actual de los fotodetectores:
- Hoy en día están formados por varias capas delgadas de semiconductores con distintos composiciones y dopajes.
- Se añaden otras capas aislantes (para disminuir las perdidas, modular la respuesta espectral...etc.) y capas metálicas (contactos eléctricos con el circuito externo)
- Varias aplicaciones: sistemas automáticos de apertura de puerta, televisión, fotografía digital, escáneres, lectores de código de barras, sensores ..etc.
Los fotodetectores en general
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
- Muy sencillos- Se basan en la fotoconductividad
Los fotoconductores: generalidades
Funcionamiento globalTransiciones de banda a banda intrínsecas o extrínsecas con la absorción óptica
incremento de la concentración de portadores en la banda de valencia o en la banda de conducción del semiconductor
se puede detectar y medir la intensidad de la radiación usando un semiconductor muy sensible a la radiación luminosa en una región de longitud de onda determinada
AplicacionesDetección en el infrarrojo y cuando los niveles de intensidad de luz son elevados(Son detectores de respuesta lenta no se pueden usar para aplicaciones de alta frecuencia)
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Ec
Ef
qVo
Diagrama de bandas de energía :
Semiconductorintrínseco
e-
Ef
Evhv
h+
Metal (contacto)
Metal (contacto
)
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Dispositivo para detectar y medir la luz :
Substrato aislante
Capasemiconducto
ra
Contactos metálicos
+
-
e-h+
Luz incidente
fotocorriente
No todos los portadores fotogenerados contribuyen a la conducción (una fracción importante se recombina)
OJO:
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Semiconductores intrínsecos/extrínsecos
- Fotoconductores intrínsecos: la aparición de una fotocorriente ocurre sólo para luz de energía mayor que (energía de gap)
- Fotoconductores extrínsecos: esto ocurre para energías mucho menores que
Incremento de corriente
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Recombinación y generación de portadores
- Estado “estacionario” velocidad de recombinación (R) = velocidad de generación de portadores (G)
Para un intrínseco: y
- Velocidad de arrastre de los electrones por el campo eléctrico :
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Recombinación y generación de portadores
Hemos definido también:
Entonces, estas formulas conducen a un nuevo incremento de corriente:
Definiendo el tiempo de tránsito de los electrones entre dos electrodos:
Finalmente obtenemos:
Así tenemos R=G
y
LOS FOTOCONDUCTORES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Ganancia
- Corriente primaria debida a los portadores fotogenerados :
Corresponde a la velocidad de generación de carga en el semiconductor
- Factor de ganancia del fotodetector:
Material a usar
Conocer el factor de ganancia nos permite determinar el material lo más apropiado que hay que usar:Queremos una ganancia muy grande (para que los portadores sean colectados antes de que se recombinen)
lo mayor posible y lo más pequeño posible Usar semiconductores muy puros y libres de defectos
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
Diodo en polarización inversa con un voltaje alto para evitar el paso de los portadores mayoritarios. La detección de luz hace conducir los portadores minoritarios.Introducción
FotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED - Más rápido que un fotoconductor
- Más sensibilidad que un fotoconductor- Básicamente el mismo funcionamiento que un
fotoconductor
Definición
Características
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Ev
Ec
NP ZCE
Ef
e-
h+
hv
ɛVoc
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
efecto fotovoltaico
P N
qVoc
Lh Le
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
I=I0[exp(qV/kT) – 1]
- IL
IL
I0
I
Diodo en oscuridad (simple)
Portadores generados por iluminación (corriente inversa)
IL=qGS(W+Le+L
h)=> Proporcional a G (generación de portadores)=> Proporcional a la iluminación
=> Convierte señal óptico en eléctrico
V
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Aumentar la anchura de la ZCE
Þ Más radiación en esta región => más corrienteÞ Más lento => menor velocidad de los portadores
Disminuir la anchura de la ZCE
Þ Menos radiaciónÞ Más rápido
Un compromiso es necesario.
Ajustes
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Fotodiodo con una capa intrínseca entre los semiconductores P y N.Ventaja => soportar tensiones inversas mucho más grandes
P N
ZECextrinseco
intrínseco
ZEC
ɛ1max fotodiodo
ɛ2max diodo p-i-n
ɛV proporcional a la
area de ɛ=>
Area ɛ1=Area ɛ2
Pero, para el mismo V aplicado,
ɛ1max>ɛ2max
Entonces, aguanta más tensión inversa hasta alcanzar el campo eléctrico de avalancha
ɛavalancha
I
Diodos p-i-n
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
hvPelícula anti reflectante
Contacto metálico
Aislante (SiO2)
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Fotodetectores en pozos cuánticos
Longitud de onda de 10μm
Detecta radiación infrarroja
Utilizado para visión nocturna y imágenes térmica
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
E2
E1
hvhv hv
EF
F=0
4nm
20nm
50 pozos (PCM)
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
E2
E1
F≠0 => inclinación estructura de bandas
hv
hv
hv
Conducción
E2-E1=0,1eV
Radiacion hv=0,1eVCon v=1/10μm
LOS FOTODIODOS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Þ Diodo de SchottkyFuncionamiento: unión metal(oro)-semiconductor (dopado N)
=> fotocorriente como en la unión PN pero hace pasar la luz si la capa de metal es bastante delgada (10nm)=> ZCE muy cerca de la capa de incidencia => radiaciones son absorbidas => producen pares é/h que participan al fotocorriente inicial
Ventaja: radiaciones de pequeñas longitudes de onda absorbidos
Aplicación: detectores de ultravioletas con alta velocidad de respuesta
Þ Diodo de avalanchaFuncionamiento: voltaje aplicado mucho mayor => pares é/h
acelerados a grandes velocidades => impacto con los átomos del SC produce mas pares é/h => fenómeno de avalancha => la corriente se multiplica de varios ordenes
Ventaja: Gran gananciaAplicación: detección de poca intensidad de luz
Otros tipos de fotodiodos
CELULAS SOLARES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Definición
- ¡¡ NO lleva polarización externa !!- Operan en el cuarto cuadrante de la curva característica I-V- Básicamente el mismo funcionamiento que un fotodiodo
Características
Convierten directamente la energía de la luz del sol en corriente
eléctrica por medio del efecto fotovoltaico.
CELULAS SOLARES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
n
p
RL
hvRecubrimientoantirreflectante
Contactosmetálicos
e-
h+
Fotones absorbidos en la unión p-n pares e- - h+ en BC y BV
Esquema
CELULAS SOLARES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
I
Icel
Rs
ILRL V
I
Vm
Im
Isc
Voc
1/RL
Q
1eIII
IIIkTqv
OL
celL
ocscmmQ VI0'75PIP
Circuito equivalente y curva característica I-V
0
CELULAS SOLARES
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
EG óptimo entre 1’1 y 1’4 eV factor de eficiencia (Si y GaAs)
Células comerciales 15%
30%P
P
incidente
dasuministra
Características específicas
Semiconductores con EG muy concreta ya que si:
1. EG pequeña energía solar de menor λ es absorbida directamente en la superficie y prácticamente no contribuye a la corriente de la célula.
2. EG grande radiación con λ > λc (crítica) no es absorbida.
LOS LEDS
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
- Funcionan al contrario que el fotodiodo- La emisión de luz va acompañada de emisión de
calor- Hay de dos tipos:
- Gap directo- Gap indirecto
Definición
Características
Los diodos emisores de luz produce luz cuando pasa corriente a través de ellos efecto ELECTROLUMINISCENTE
LOS LEDS
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Ev
Ec
NP ZEC
Ef
e-
h+
ɛ
V+ -
hv
hv
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
LOS LEDS
Microelectrónica – LEDS
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Tipo materiales para los LEDS:
Gap indirecto La transición radiactiva se hace con cambio en el momento del electrón con la participación de un fonón o vibración en la red cristalina. Producen más calor al intentar producir luz.
Algunos de gap indirecto pero con energía más elevada pueden emitir luz visible siempre que eliminemos las transacciones no radiactivas (calor)
Además se utilizan para formar compuestos ternarios para aumentar de la banda prohibida.
Gap directo La transición radiactiva se hace sin cambio en el momento del electrón. Es mucho mas probable que ocurra que en los de gap indirecto.
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
LEDS
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
- Dependiendo el compuesto que utilicemos hacemos LEDS de un color u otro.
Compuesto Color Long. de onda
Arseniuro de galio (GaAs)
Infrarrojo 940nm
Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)
Rojo e infrarrojo 890nm
Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)
Rojo, naranja y amarillo
630nm
Fosfuro de galio (GaP) Verde 555nm
Nitruro de galio (GaN) Verde 525nm
Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul
Nitruro de galio e indio (InGaN)
Azul 450nm
Carburo de silicio (SiC) Azul 480nm
Diamante (C) Ultravioleta
- En un mismo compuesto dependiendo de la intensidad de la luz aplicada la longitud de onda varia.
- La intensidad de la luz que emite el LED depende de la corriente inyectada
Leds de colores
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
LEDS
Microelectrónica – LEDS
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
+ -
Contacto metálicoÓxido
Capa pCapa n
Sustrato n
Emisión de luz
LED p-n+
Menos dopado p suficiente fino para que los fotones producidos puedan escapar sin ser reabsorbidos
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
LOS LEDS
Microelectrónica – LEDS
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
PN+ P
AlGaAs AlGaAs AlGaAs
- Uniones entre dos semiconductores de distinto gap- Necesarios para LEDS de alta intensidad- Se inyectan e- desde el n+ a la p donde se recombinan
con los h+ provocando la emisión de fotones
LEDS con heterouniones
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
LOS LEDS
Microelectrónica – LEDS
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
- Tienen diferente tipo de electroluminiscencia que los leds
- No necesitan un material de alta calidad
- Formados por:- Semiconductor policristalino de banda ancha- Dopado con un ión que actúa como centro
luminiscente
- El color depende del dopante
- Al aplicar un voltaje en los extremos hace que los e- inyectados por los electrodos sean acelerados y cuando estos e- interaccionan con los iones dopantes desprenden la energía absorbida en forma de luz.
- Según el tipo de material hay de dos tipos:- En polvo- De película delgada
Paneles electroluminiscentes
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
LED’S BLANCOS vs LED’S RGB
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Definición
LED blanco. LED azul cubierto de fósforo convierte parte de la luz azul en luz amarilla. Este espectro combinado se percibe como luz blanca.
LED RGB consta de 4 patillas: el colector común, el color rojo (Red), el verde (Green) y el azul (Blue). Cambia el color en función de la intensidad.
LED’S BLANCOS vs LED’S RGB
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
En esta figura se muestra la gama de colores del sistema NTSC (National Television System Committee) frente a la gama de los LCDs retroiluminados mediante LEDs RGB, LEDs blancos y CCFL (cold-cathode fluorescent lamp)
Comparativa gráfica
LED’S BLANCOS vs LED’S RGB
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED
Ventajas y desventajas
LED blanco. • Reproduce hasta un 70% de la gama de colores del
NTSC en un LCD.• Picos en el espectro de color no ideal para la
reproducción fotográfica.• Más sencillos de manejar.
LED RGB• Reproduce hasta un 100% de los colores del NTSC.• Mejor gama de colores al compaginarlos con filtros
de colores.
http://www.break.com/usercontent/2009/7/led-flex-flex-strip-strip-light-led-light-led-rgb-strip-led-821590.html