Dispositivi Fotonici

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1 Dispositivi Fotonici Luce fi Elettricità Dispositivi che convertono la radiazione ottica in energia elettrica (fotorivelatori, dispositivi fotovoltaici, celle solari) basati sull effetto fotoelettrico Elettricità fi Luce Dispositivi che agiscono come sorgenti luminose e convertono l energia elettrica in radiazione ottica (LED light emitting diode, diodi laser) Elettroluminescenza Generazione di luce aseguito del passaggio di una corrente elettrica in un dispositivo. Fenomeno diverso dalla incandescenza (radiazione termica di ampiezza spettrale di migliaia di nm): la larghezza spettrale èinferiore ai 20 nm (LED) o0.1 nm (laser).

2 Spettro Elettromagnetico Sensibilità dell occhio umano

3 Fotocatalisi Polveri di TiO 2 con depositati particelle metalliche di Pt e di ossido RuO 2 assorbimento attraverso il gap di un fotone crea una coppia elettrone-lacuna elettrone e lacuna si ricombinano nel bulk, oppure diffondono sino alla superficie della nanoparticella es.: elettroni intrappolati in Pt riducono l acqua (produzione H 2 ); lacune intrappolate in RuO 2 la ossidano (produzione O 2 ) strutture a nanoparticella necessarie per ottimizzare il processo (rapporto superficie/volume)

4 Fotoconduttori Assorbimento e generazione di portatori in un fotoconduttore. Tipi di transizioni: a) banda a banda b) banda valenza accettore c) donore banda conduzione -radiazione VIS-NIR -radiazione medio/lontano IR In condizioni stazionarie e potenza illuminante costante P opt n Popt hν rate di generazione G = = η conv = wdl ( volume), τ V τ = tempo di ricombinazione, η = efficienza quantica

5 Fotoconduttori La fotocorrente I ph tra gli elettrodi vale I = σ wd eµ n wd ph n ph p n ( ) con µ? µ e = V L campoelettrico quindi I Popt Essendo la fotocorrente primaria Iph = e η, il guadagno vale h ν I ph µτε n τ g = = = con tr = Lvd tempo di transito nel fotoconduttore I L t p ε ε ε Popt µτ n = e η h ν L r ε

6 Transizioni Radiative Transizioni di ricombinazione in semiconduttori. E D livelli di tipo donore, E A livelli di tipo accettore, E t livelli trappola profondi. Interband Impurity-assisted Intraband

7 Processi di emissione La possibilità che una transizione avvenga è determinata dalla regola di selezione in k: conservazione del vettore d onda. Il vettore d onda elettronico è molto maggiore di quello del fotone. Quindi la regola di selezione diventa k 1 =k 2. Se il massimo della banda di valenza è in corrispondenza del minimo della banda di conduzione la transizione è diretta, altrimenti è di tipo indiretto (assistita da fononi, cioè da vibrazioni del reticolo cristallino). Le transizioni radiative indirette sono molto meno probabili.

8 Struttura a bande Effetto quantistico legato al confinamento della funzione d onda di un elettrone all interno di una struttura geometrica ad alta simmetria. La periodicità del potenziale determina quella della funzione d onda. Si (cristallo) GaAs (cristallo)

9 Transizioni dirette ed indirette Band-gap Engineering : effetto della composizione chimica sulla struttura a bande.

10 Emissione Spontanea Vicino ai limiti di banda, la conservazione dell' energia vale h k h k h k hν = E + E = E + con = + C * V * G * * * * 2me 2mh 2mr mr me mh relazione di dispersione congiunta, m * r = massa efficace ridotta ( ) * 2mr La densità congiunta degli stati vale NJ ( E) = E E 2 3 2π h E ed essendo F( E) = exp la distribuzione di Boltzmann kt E Isp( E = hν ) E EG exp kt 32 G

11 Emissione Spontanea E I ( ) sp E = hν E EG exp con λ kt 1.8kTλ hc nel visibile ~ 10 nm 2

12 GaAs - Diodo LED

13 Metodi di eccitazione La luminescenza (emissione spontanea) può essere distinta in base alla sorgente di eccitazione: Fotoluminescenza: eccitazione con radiazione ottica Catodoluminescenza: eccitazione con fasci elettronici Radioluminescenza: eccitazione da particelle veloci o radiazione molto energetica (X, γ) Elettroluminescenza: eccitazione con campi elettrici o correnti elettriche. qricombinazione radiativa di portatori minoritari iniettati attraverso una giunzione polarizzata direttamente; qeccitazione a valanga per una giunzione polarizzata inversamente nella zona di breakdown elettrico; qtunnelling e successiva ricombinazione; qmateriale intrinseco soggetto a campi elettrici ac che, mediante ionizzazione da impatto dei portatori accelerati, determinano una transizione radiativa in diseccitazione.

14 Light Emitting Diode - LED In una giunzione p-n polarizzata direttamente i minoritari sono iniettati da entrambi i lati ed in prossimità della giunzione (pn > n i2 ) da cui la ricombinazione. omogiunzione eterogiunzione (più efficace per il confinamento)

15 Eterostrutture Posizione relativa delle soglie di banda per due tipi di eterostrutture tipo I tipo II Posizione delle soglie di banda (valenza e conduzione) per diversi materiali semiconduttori

16 Eterostrutture

17 Light Emitting Diode - Materiali E importante poter controllare l energia di gap del materiale, da cui abbiamo visto dipende la lunghezza d onda di max emissione del LED (colore).

18 Ricombinazione con trappola isoelettronica Quando N (V gruppo) sostituisce P (V gruppo), shell esterna identica, ma la differenza nella struttura del core fa nascere un livello trappola appena sotto la banda di conduzione. La trappola è detta centro isoelettronico (normalmente neutro). Quando un elettrone viene intrappolato, il centro cattura successivamente una lacuna e si ha emissione di un fotone di energia pari al gap meno l energia di legame del centro. La conservazione del momento non è violata poiché gli stati sono fortemente localizzati e per il pricipio di indeterminazione vi sono ampi valori di k disponibili.

19 Effetto dell Azoto Incremento efficienza quando la transizione diventa di tipo indiretto Incremento lunghezza d onda del picco di emissione

20 η η in in Efficienza quantica interna R, R = tassi di ricombinazione radiativo enon radiativo r τ, τ r = r = = nr numero fotoni emessi internamente numero portatori che attraversano la giunzione R nr Bassi livelli di iniezione R τ nr + R τ + τ r nr nr r = tempi di vita radiativo enon radiativo lato p giunzione R = R np R nn per n? n 10 r ec ec A p Rec cm s materiali agap diretta Rec cm s materiali agap indiretta τ r n = = R 1 R N r ec A Alti livelli di iniezione τ nr 1 = σv N th t

21 η Efficienza quantica esterna numero fotoni emessi esternamente = = ηη numero portatori che attraversano la giunzione ex in op L efficienza ottica è limitata dagli effetti di riflessione totale. R n n s 0 = ns + n0 2 Fresnel Loss (riflessione) poichè ns > n0 ( ns intorno a3 4) sarà θ0 > θs quindi Angolo critico ~16º 17º in 1 n 0 n0 langolo ' critico θc = sin GaAs e GaP ns ns

22 Light Emitting Diode - Materiali

23 LED Strutture ad emettitore superficiale Emissione I θ 2 P n cos 2 2 4πr n Lambertiana ( ) s 0 ( ) = s θ P s = potenza luminosa r = distanza dalla superficie

24 LED Strutture ad emettitore laterale Le eterogiunzioni sono efficaci nel confinare l emissione luminosa e nel limitare gli effetti di auto-assorbimento: il materiale con più alto bandgap non assorbe la luce emessa da quello a più basso bandgap. Altri strati (cladding) servono a realizzare una vera e propria guida d onda. L emissione è più confinata e non soffre del problema dell angolo critico.

25 Light Emitting Diode (LED) Lunghezze d onda da 350 nm a 1300 nm Near UV LED

26 LED - Applicazioni