Dispositivi optoelettronici (1)

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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