LEDs Laser diodes Optical amplifiers Photodetectors ... · Total 2002 market of 3 ... Simplified schematic illustrations of two types of laser amplifiers ... A 1550nm semiconductor

Overview of optoelectronic devices

LEDs

Laser diodes

Optical amplifiers

Photodetectors

Photovoltaics-Solar Cells

Light Modulators

ηλεκτρόνιο

ΕF gEh ≈νgEhv ≈

οπήp n

ΕF

∆ίοδος εκποµπής φωτός

∆ιάταξη που εκπέµπει αυθόρµηταφως λόγω έγχυσης των φορέωνµέσω επαφής p-n.

• έγχυση των φορέων µειονότητας µέσω της επαφής p-n οδηγείσε ακτινοβολητική επανασύνδεση (electroluminescence) τωνηλεκτρονίων (ΖΑ) µε οπές (ΖΣ).

• το µήκος κύµατος εκποµπής της LED καθορίζεται από το ενεργειακό χάσµα του ηµιαγωγού που χρησιµοποιείται στo LED.

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:

( ) ( )⎪⎩

⎪⎨⎧

<≥−−⋅−

∝g

gggPL E

EkTEEI

ωωωω

ωh

hhhh

for 0for /)(exp

“θερµική” κατανοµήηλεκτρονίων

“θερµική” κατανοµήοπών

Τ=0Κ Τ≠0Κ

εύρος φάσµατοςεκποµπής ~ kΤ

Παράδειγµα GaAs LED

• Η ενέργεια εκποµπής µεταβάλλεται µε τη θερµοκρασία.

µεγαλύτερη Τ µικρότερο ενεργειακό χάσµα

µικρότερη ενέργεια φωτονίου

Παραδείγµατα φασµάτων LED

• Η ικανότητα µετατροπής ζευγών ηλεκτρονίων-οπών σεφωτόνια εξαρτάται από τον ανταγωνισµό µεταξύακτινοβολητικών (τR) και µη ακτινοβολητικών (τNR) χρόνων επανασύνδεσης και µετράται από τηνακτινοβολητική κβαντική απόδοση:

•Αν η διάταξη έχει λίγες ατέλειες, τNR>> τR, και ηR →1

Ακτινοβολητική κβαντική απόδοση

R RNR

NRtotalR ττ

ττ

τη

+==

p-AlGaAs p-GaAs n-AlGaAs

holes

ΖΑ

ΖΣ

διαφανής

διαφανής

●Ενας τρόπος να αυξηθεί το ηR είναι µε τον χωρικό περιορισµότων ηλεκτρονίων και οπών σε µία σχετικά µικρή ζώνη (active region).Αυτό επιτυγχάνεται µε το LED ετεροδοµής. Επιπλέον, τα παραγόµενα φωτόνια δεν κινδυνεύουν από επαναπορρόφηση, γεγονόςπου αύξάνει την συνολική απόδοση της διάταξης.

Βασικόςτρόπος κατασκευής

np

Θcn1

n2

υπόστρωµα

πάνω επαφή (+)

κάτω επαφή (+)

• 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={(n2-n1)/(n2+n1)}

(3) απώλειες ολικής ανάκλασης : όλο το φως ανακλάται πίσω ότανθ> θC µε θC=sin-1(n1/n2) κρίσιµη γωνία [π.χ. θC=17° για διεπιφάνειαGaP/αέρα µε n2=3.45, n1=1]

Συνολική Απόδοση του LED

Ή αλλοιώς, Wall-plug efficiency:VI

PWPE outputlight=

Τρόποι βελτίωσης συνολικής απόδοσης

• αλλάζοντας την γεωµετρία του LED µπορούµενα έχουµε την επιθυµητήγωνιακή κατανοµή του εκπεµπόµενου φωτός

• χρησιµοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις λόγω σχετικά µεγάλου κόστους κατασκευής

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).

Τηλεπικοινωνίες µε υπέρυθρα LED

µικρότερες απώλειες στην οπτική ίνα

Ροή δεδοµένων στα 160MHz

Εφαρµογές local area network (LAN)

Total 2002 market of 3 billion $.

The GaN LED “revolution”

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

LED lighting consumes 10 times less power

Global Warming / Energy Savings Potential

∆ίοδοι Laser (Laser Diodes)

• ∆ιατάξεις µε εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός ως αποτέλεσµαέγχυσης φορέων σε µία δίοδο p-n.

• Έχει οµοιότητες µε το LED αλλά βασίζεται στην εξαναγκασµένηεκποµπή φωτός

“LED”

καθρέπτης 1R=0.99 R=0.90

καθρέπτης 2

σύµφωνο φως, “ένα” µήκος κύµατος

• Edge-emitting laser diode:

Sze 12.26καθρέπτης 2

καθρέπτης 1

Εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός

N2

Ν1

Απαίτηση: αναστροφή πληθυσµούN2>N1

οι καθρέπτες ανακυκλώνουν τα φωτόνια

Απαίτηση: α <0

• Laser Αερίου (σύστηµα δυο-σταθµών, two-level system):

• Laser Ηµιαγωγών (ηλεκτρονικές ζώνες):

g=-α λέγεται “συντελεστής οπτικής ενίσχυσης”

Ενίσχυση φωτός: I(x)=I0exp(-αx)

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.

Αναγκαίες συνθήκες για δράση ΛΕΙΖΕΡ

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

Βασικά χαρακτηριστικά

Κύριες εφαρµογές των LDs

Oπτικές τηλεπικοινωνίες µε οπτικές ίνες

A GaAs laser diode pigtailed to a fiber A 1550nm DFB InGaAsP laser diode pigtail-coupled to a fiber

CD / DVD players

Ηµιαγωγοί για LD

GaN

Τυπική δοµή διοδικού λέιζερ

Με ένα ή περισσότερα QWs

Molecular Beam Epitaxy

-Ultrahigh vacuum (expensive)-Growth rate µm/hr (slow), but-Control of heterostructureparameters down to a few A-high optical and structural quality-high purity

∆ύο βασικές κατηγορίες LDs

In-plane edge emitting LDs

Current Current Current and photons

Current and photon and carrier confinement

(Burried heterostructure lasers)

Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs)

SI oxide

Current and photon confinement

To bypass the p-side contact problem

DBR 1

DBR 2

Μετάβαση από LED σε LD

• Χαµηλό ρεύµα: αυθόρµητη εκποµπή (θετικός συντελεστής απορρόφησης)

Όταν µεγαλώνει η τάση κάποια στιγµή φτάνουµε στο ρεύµα κατωφλιού Ith οπού έχουµε εξαναγκασµένη εκποµπή(αρνητικός συντελεστής απορρόφησης) και εκπέµπεται µονοχρωµατική και κατευθυνόµενη δέσµη.

LD

LD συµπερι-φέρεταιως LED

LD

• φάσµα εκποµπής

LD συµπερι-φέρεταιως LED

Simplified schematic illustrations of two types of laser amplifiers

Pump current

Active region

AR = Antireflectioncoating

AR

Signal in Signal out

(a) Traveling wave amplifier (a) Fabry-Perot amplifier

Partial mirror Partial mirror

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Οπτικοί ενισχυτές

A 1550nm semiconductor optical amplifier by Alcatel using an InGaAsP chip

20dB ενίσχυση Many passes, higher gain, less stable.

Selection of commercial InGaAs photodetectors

Photodetectors

p+SiO2

Electrode

ρnet

–eNa

eNd x

x

E(x)

R

Emax

e–h+

Iph

hυ > Eg

W

En

Depletion region

(a)

(b)

(c)

Antireflectioncoating

Vr

(a) A schematic diagram of a reverse biased pn junctionphotodiode. (b) Net space charge across the diode in thedepletion region. Nd and Na are the donor and acceptorconcentrations in the p and n sides. (c). The field in thedepletion region.

Electrode

Vout

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8

Wavelength (µm)

In0.53Ga0.47As

Ge

Si

In0.7Ga0.3As0.64P0.36

InPGaAs

a-Si:H

12345 0.9 0.8 0.7

1×103

1×104

1×105

1×106

1×107

1×108

Photon energy (eV)

Absorption coefficient (α) vs. wavelength (λ) for various semiconductors(Data selectively collected and combined from various sources.)

α (m-1)

1.0

Figure 5.3

Avalanche Photodiode (APD)

š p+

SiO2Electrode

ρnet

x

x

E(x)

R

Ehυ > Eg

p

Ip h

e– h+

Absorptionregion

Avalancheregion

(a)

(b)

(c)

(a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biasedfor avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) Thefield across the diode and the identification of absorption and multiplication regions.

Electrode

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

n+

Internal gain mechanism. Photocurrent amplified by impact ionization by as much as a factor of 100.

h+

E

šn+ p

e–

Avalanche region

e–

h+

Ec

Ev

(a) (b)

E

(a) A pictorial view of impact ionization processes releasing EHPs andthe resulting avalanche multiplication. (b) Impact of an energeticconduction electron with crystal vibrations transfers the electron'skinetic energy to a valence electron and thereby excites it to theconduction band.© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Impact ionization

Photovoltaic devices –Solar cells

Consumes no fuel

No pollution

Honda’s solar-powered car, winner of the 3000km raceIn 4days (1996).