LEDs Laser diodes Optical amplifiers Photodetectors ... · Total 2002 market of 3 ... Simplified...
Transcript of LEDs Laser diodes Optical amplifiers Photodetectors ... · Total 2002 market of 3 ... Simplified...
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
• 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)
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.
∆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
Oπτικές τηλεπικοινωνίες µε οπτικές ίνες
A GaAs laser diode pigtailed to a fiber A 1550nm DFB InGaAsP laser diode pigtail-coupled to a fiber
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).