Dispositivi optoelettronici (1)

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Concetta Giuliani
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1 Dispositivi optoelettronici (1) Sono dispositivi dove giocano un ruolo fondamentale sia le correnti elettriche che i fotoni, le particelle base della radiazione elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate sia da Una lunghezza d onda λ che da una frequenza ν che Sono tra loro in relazione tramite la legge: λ ν = c = velocità della luce nel vuoto = km/s Inoltre i fotoni sono portatori di una energia E = h ν. 1

Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate sia da Una lunghezza d onda λ che da una frequenza ν che Sono

2 Dispositivi optoelettronici (2) Es. luce verde λ = 0,5 µm E = 2,48 ev 2

3 Dispositivi optoelettronici (3) I fotoni interagiscono con gli elettroni in tre modi: Assorbimento: un fotone viene assorbito da un elettrone che va dal livello energetico iniziale E1 al livello eccitato E2, con: E2 =E1+hν. Emissione spontanea: l elettrone che si trova in uno stato eccitato decade dal livello E2 al livello E1, con E1 = E2 - hn. Emissione stimolata: un elettrone che si trova in uno stato eccitato, che viene colpito da un fotone può diseccitarsi emettendo un altro fotone. 3

Emissione spontanea: l elettrone che si trova in uno stato eccitato decade dal livello E2 al livello E1, con E1 = E2 - hn.

4 Dispositivi optoelettronici (4) 4

5 Dispositivi optoelettronici (5) Se le popolazioni istantanee (densità di elettroni) dei due livelli sono n1 e n2, all equilibrio termico, con (E2 E1) > 3kT n2/n1 = e hν /(kt) 12 e in condizioni stazionarie il numero di elettroni che passano da E1 ad E2 deve essere uguale a quelli passano da E2 ad E1. In altre parole: tasso di emissione stimolata + tasso di emissione spontanea tasso di assorbimento 5

elettroni che passano da E1 ad E2 deve essere uguale a quelli passano da E2 ad E1.

6 Dispositivi optoelettronici (6) Il tasso di emissione spontanea è proporzionale alla popolazione del livello superiore E2. Il tasso di emissione stimolata è proporzionale alla popolazione del livello superiore e alla densità di energia luminosa. Il tasso di assorbimento è proporzionale alla popolazione del livello inferiore e alla densità di energia luminosa. A parità di condizioni, per rendere predominante l emissione stimolata occorre una elevata densità di energia luminosa. 6

7 Assorbimento (1) 7

8 Assorbimento (2) Se il fotone ha una energia uguale a Eg o superiore, all atto dell assorbimento si ha una creazione di coppia lacuna-elettrone, con l elettrone che passa nella banda di conduzione. Se l energia è superiore, l elettrone passa nella banda di conduzione e l energia in eccesso viene dissipata sotto forma di calore. Se l energia è inferiore non si ha una transizione, a meno che non esistano livelli disponibili all interno della banda proibita. 8

Se l energia è superiore, l elettrone passa nella banda di conduzione e l energia in eccesso viene dissipata sotto

9 Diodi emettitori di luce (1) I diodi emettitori di luce (LED) sono giunzioni p-n in grado di emettere radiazioni nella regione dell ultravioletto o del visibile o dell infrarosso. I LED a luce visibile devono emettere fotoni nello spettro del visibile 0,5 µm < λ < 0,7 µm 2,6 ev > energia del fotone > 1,8 ev La larghezza della banda proibita deve riflettere questi limiti. Giunzioni adatte si ottengono scegliendo opportunamente i materiali: es. arseniuro di gallio. 9

I LED a luce visibile devono emettere fotoni nello spettro del visibile 0,5 µm < λ < 0,7 µm 2,6 ev > energia del

10 Diodi emettitori di luce (2) La geometria tipica della giunzione è quella planare. Il meccanismo di funzionamento è abbastanza semplice: Si applica una tensione di polarizzazione diretta alla giunzione p-n che genera così coppie elettrone-lacuna; queste coppie si ricombinano emettendo i fotoni visibili. Per rendere efficiente il meccanismo occorre che i fotoni emessi siano in quantità sufficiente e che non vengano persi prima di arrivare alla lente di materiale plastico che ne permette la visualizzazione. 10

genera così coppie elettrone-lacuna; queste coppie si ricombinano emettendo i fotoni visibili.

11 Diodi emettitori di luce (3) Una volta emessi i meccanismi di perdita principali sono: Assorbimento all interno del LED Perdite per rifrazione aria-semiconduttore Perdite per riflessione totale interna della luce (angoli maggiori dell angolo critico) Alcuni effetti si possono minimizzare ad esempio con la scelta di substrati trasparenti e superfici interne riflettenti. 11

riflessione totale interna della luce (angoli maggiori dell angolo critico) Alcuni effetti si

12 Diodi emettitori di luce (4) 12

13 Diodi emettitori di luce (5) Una importante applicazione dei diodi all infrarosso è il disaccoppiamento, tra segnali di ingresso e di uscita. fotone Segnale di ingresso LED Segnale di uscita fotodiodo 13

14 Diodi emettitori di luce (6) Il meccanismo di funzionamento è il seguente: Si applica una tensione alla giunzione, si creano coppie elettrone-lacuna che poi si ricombinano dando origine alla emissione dei fotoni. Questi vengono poi inviati ad un dispositivo ricevente (fotodiodo) che col meccanismo inverso assorbe il fotone e crea una coppia elettrone-lacuna che fornisce i portatori di carica necessari a produrre la corrente nel circuito di uscita. 14

Questi vengono poi inviati ad un dispositivo ricevente (fotodiodo) che col meccanismo inverso assorbe il fotone e

15 Collegamento a fibre ottiche (1) Un altra applicazione è la trasmissione di segnali ottici lungo le fibre ottiche. Infatti uno dei vantaggi è che il segnale si propaga alla velocità della luce nel mezzo trasmissivo. Una fibra ottica è una guida d onda per le frequenze ottiche capace di trasportare i segnali anche per molti chilometri senza degradare l informazione grazie al fenomeno della riflessione totale. 15

Infatti uno dei vantaggi è che il segnale si propaga alla velocità della luce nel mezzo trasmissivo.

16 Collegamento a fibre ottiche (2) 16

17 Collegamento a fibre ottiche (3) 17

18 Laser a semiconduttore (1) I laser sono dispositivi che sfruttano l emissione stimolata di radiazione per produrre radiazione con le seguenti caratteristiche: praticamente monocromatica (energia ben definita frequenze ben definite) altamente direzionale (piccolissima divergenza angolare del fascio). 18

caratteristiche: praticamente monocromatica (energia ben definita frequenze

19 Laser a semiconduttore (2) 19

20 Laser a semiconduttore (3) L inversione di popolazione si genera tramite il passaggio di una corrente, con lo scopo di eccitare i portatori di carica (elettroni e coppie elettrone-lacuna) nel piano di giunzione tra due regioni diversamente drogate. 20

eccitare i portatori di carica (elettroni e coppie

21 Laser a semiconduttore (4) Le correnti impiegate in un sistema a semiconduttore risultano inferiori (20 ma) di quelle usate, ad esempio, in un sistema laser a gas. 21

22 Laser a semiconduttore (5) I laser a semiconduttore presentano inoltre le seguenti caratteristiche: Dimensioni molto ridotte (0,1 µm di lunghezza) Estrema facilità di modulazione tramite la corrente di polarizzazione. I campi di applicazione: comunicazione su fibra ottica, registrazione video, lettura ottica, stampa ad alta velocità, spettroscopia a gas. 22

23 Fotorivelatori (1) I fotorivelatori sono dispositivi che convertono radiazione luminosa in segnali elettrici. Il meccanismo di funzionamento è divisibile in: Generazione di portatori di carica da parte della luce Trasporto e/o amplificazione dei portatori Interazione della corrente col circuito esterno per generare il segnale elettrico in uscita. 23

24 Fotorivelatori (2) Fotoconduttore 24

25 Fotodiodi (1) Un fotodiodo è una giunzione p-n polarizzata inversa. Quando i fotoni incidono sul fotodiodo si generano coppie elettrone lacuna che vengono separate e generano corrente nel loro moto di allontamnamento dalla regione di svuotamento. I fotodiodi devono essere sottili per poter funzionare ad alta velocità, e contemporaneamente devono essere abbastanza spessi per permettere un sufficiente assorbimento di fotoni. 25

26 Fotodiodi (2) Fotodiodo 26

27 Fotodiodi (3) Un particolare tipo di fotodiodo è il fotodiodo a valanga. Il principio di funzionamento è lievemente diverso dai fotodiodi precedenti perché la tensione di polarizzazione è sufficientemente alta da provocare, a partire da pochi portatori, l effetto della moltiplicazione a valanga, amplificando così la corrente che si ottiene. Vantaggio: usabile per rivelare deboli segnali. Svantaggio: occorre ridurre al minimo la possibilità di generare segnali accidentali. 27

28 Silicon PhotoMultiplier (1) L'idea è di lavorare nella regione immediatamente vicina alla tensione di breakdown (10-20% superiore) per far partire una scarica a partire da una singola coppia. In questo modo si ha un segnale grande. 28

29 Silicon PhotoMultiplier (2) I SiPM sono rivelatori che servono a contare i singoli fotoni. Per far questo se ne mettono molti riuniti in una matrice e si sommano i loro segnali. L'andamendo del segnale sarà a gradini: 29

30 Silicon PhotoMultiplier (3) Risposta di un SiPM a impulsi luminosi da un LED molto debole Si evidenziano i picchi dovuti ad un diverso numero di fotoni. 30

31 Celle solari 31

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