Dispositivi Fotonici

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1 Dispositivi Fotonici Luce Elettricità Dispositivi che convertono la radiazione ottica in energia elettrica (fotorivelatori, dispositivi fotovoltaici, celle solari) basati sull effetto fotoelettrico Elettricità 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 a seguito 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 è inferiore ai 20 nm (LED) o 0.1 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 h rate di generazione G con V wdl volume, V tempo di ricombinazione, efficienza quantica

5 Fotoconduttori La fotocorrente I ph tra gli elettrodi vale I wd e n wd ph n ph p n con e V L campo elettrico quindi I Popt Essendo la fotocorrente primaria I ph e, il guadagno vale h I ph n g con tr L vd tempo di transito nel fotoconduttore I L t p Popt n e h L r

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 k k k h 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 N J E E E E ed essendo F E exp la distribuzione di Boltzmann kt E Isp E h E EG exp kt 32 G

11 Emissione Spontanea E I sp E h E EG exp con kt 2 1.8kT hc nel visibile ~ 10 nm

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, ) Elettroluminescenza: eccitazione con campi elettrici o correnti elettriche. ricombinazione radiativa di portatori minoritari iniettati attraverso una giunzione polarizzata direttamente; eccitazione a valanga per una giunzione polarizzata inversamente nella zona di breakdown elettrico; tunnelling e successiva ricombinazione; materiale 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 in in Efficienza quantica interna R, R tassi di ricombinazione radiativo e non radiativo r, r nr numero fotoni emessi internamente numero portatori che attraversano la giunzione R nr Bassi livelli di iniezione Rr R nr r nr nr r tempi di vita radiativo e non radiativo lato p giunzione R R np R n N per n n r ec ec A p Rec 10 cm s materiali a gap diretta 15 3 Rec 10 cm s materiali a gap indiretta r n R 1 R N r ec A Alti livelli di iniezione nr 1 v N th t

21 Efficienza quantica esterna numero fotoni emessi esternamente numero portatori che attraversano la giunzione ex in op L efficienza ottica è limitata dagli effetti di riflessione totale. R n n s s n n Fresnel Loss (riflessione) poichè ns n0 ns intorno a 3 4 sarà 0 s quindi Angolo critico ~16º 17º in 1 n 0 n0 l ' angolo critico c sin GaAs e GaP ns ns

22 Light Emitting Diode - Materiali

23 LED Strutture ad emettitore superficiale Emissione I 2 P n cos r n Lambertiana s s 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

27 Diodo Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER Dispositivo basato sul fenomeno dell emissione stimolata, i cui componenti sono fondamentalmente tre: 1. Mezzo attivo 2. Sistema di pompaggio 3. Cavità risonante Cavità Mezzo attivo Radiazione laser Pompaggio

28 Diodo Laser Laser a semiconduttore Sono simili agli altri laser (p. es. a gas He-Ne o a stato solido Rubino ) nel senso che la radiazione emessa è monocromatica con alto grado di coerenza spaziale e temporale ed alta direzionalità. Vi sono tuttavia differenze: 1. Transizioni radiative avvengono tra livelli atomici discreti (laser convenzionali), tra stati di banda (semiconduttori); 2. Laser a semiconduttore molto compatto (~0.1 mm o meno), con regione attiva < 1m divergenza fascio più elevata; 3. Caratteristiche spaziali e spettrali influenzati dalle proprietà della giunzione (bandgap, indice di rifrazione); 4. Pompaggio assicurato dal passaggio di una corrente diretta di giunzione che può essere facilmente modulata e quindi modulare ad alte frequenze la radiazione laser.

29 Diodo Laser Laser a semiconduttore Caratteristiche principali: Sintonizzabilità in lunghezza d onda Stabilità Limitata potenza d ingresso Semplicità strutturale Settori di applicazione: Consumer electronics, ricerca di base, telecomunicazioni, sanitario,

30 Processi di emissione e assorbimento Consideriamo un sistema a due livelli di energia discreti E 1 (stato fondamentale) e E 2 popolati con N 1 e N 2 elettroni. Qualunque transizione tra questi stati N 2 coinvloge l emissione o assorbimento di un fotone di frequenza Tre tipi di processo: h E E 2 1 N 1 assorbimento R ab emissione spontanea R sp emissione stimolata R st E 2 E 1

31 Rate di emissione stimolata Rate di transizione per i tre processi ottici (B 12, A 21, B 21 sono i coefficienti di Einsten e f l intensità luminosa) All equilibrio la statistica di Boltzmann prevede Per l intensità spettrale usiamo l espressione del corpo nero 1 R R R ab sp st B N f 12 1 A N 21 2 B N 21 2 f N 2 exp E exp h N kt kt f 3 3 8nh r 1 3 c exph kt 1 All equilibrio le transizioni in emissione devono eguagliare quelle in assorbimento Rab Rsp Rst B N f N A B f

32 Rate di emissione stimolata B N f N A B f 8n h 3 3 r 3 c h kt exp exp 1 A21 B h kt B l unica possibilità che questa eguaglianza valga per tutte le temperature è Nell azione laser l emissione spontanea di luce incoerente è molto limitata e quindi trascurabile. Pertanto il guadagno ottico netto per lemissione stimolata (azione laser) vale: R R N N B f st ab da cui A B B B nr h 3 c

33 Rate di emissione stimolata R R N N B f st ab Per ottenere un guadagno ottico positivo deve essere N 2 >N 1, ovvero la cosiddetta condizione di inversione di popolazione. Poiché ciò non è possibile in equilibrio termico, occorre un qualche mezzo esterno per determinare tali condizioni (p.es. ottico in un laser tradizionale, ovvero la corrente diretta della giunzione p-n in un laser a semiconduttore)

34 Semiconduttori Nei semiconduttori abbiamo a che fare con bande di energia e occorre definire i quasi-livelli di Fermi E Fn e E Fp per descrivere la condizione di non equilibrio (inversione di popolazione). Equilibrio T=0 Inversione di popolazione,t=0 Inversione di popolazione,t>0

35 N ph è la densità di fotoni, N C e N V le densità di stati in banda di conduzione e valenza. Semiconduttori Un complessivo equilibrio termico non esiste, ma gli elettroni lo sono tra di loro all interno di una banda, quindi F F C V E E 1 1 exp E EFn kt 1 1exp E E Fp kt ab 12 C C V V ph sp 21 C C V V st 21 C C V V ph Probabilità di occupazione di uno stato in banda di conduzione e di valenza, ed i corrispondenti rate di transizione valgono: R B 1F N F N N de R A F N 1F N de R B F N 1F N N de

36 Semiconduttori In presenza di effetto laser le transizioni spontanee sono trascurabili, ed essendo B 12 =B 21 : R R B N F F N N de 21 st ab ph C V C V Perché la differenza sia positiva (effetto laser) deve essere F C >F V ovvero E Fn >E Fp (condizione di inversione di popolazione). Poiché in equilibrio termico E Fn = E Fp e pn = n i2, la condizione di inversione di popolazione sarà pn > n i2. Dovendo anche essere h > E g la condizione laser sarà E h E E g Fn Fp

37 Diodo laser Struttura fondamentale di un diodo laser in una cavità risonante tipo Fabry-Perot

38 Risonatore ottico e guadagno ottico La cavità risonante presenta diverse frequenze di risonanza dette modi longitudinali (onde stazionarie: nodi agli estremi). 2 d m L e la separazione tra i modi m m 2nr dm 2Lnr F bilancio guadagno/perdite (assorbimento), in funzione lungh. exp f z g z tenendo anche conto delle riflessioni 1 1 ln 2L R1R 2 R1R 2exp g z e la soglia di guadagno g th

39 Confinamento radiazione guida d onda Confinamento della radiazione parallelamente alla direzione di propagazione (guida d onda: riflessione totale all interfaccia) n n, n r2 r1 r3 In omogiunzioni n è dato dal differente drogaggio (0.1%<n<1%) con regione attiva meno drogata delle inattive). Le eterogiunzioni, con n ~ 10%, sono più efficaci.

40 Tipi di diodi laser Strutture omo-, etero- e doppia etero-giunzione

41 Corrente di soglia no. elettroni iniettati I bias guadagno ottico F C (E) e F V (E) cambiano -> E Fn, E Fp E Fn - E Fp aumenta g0 Jin J0d g th J0d g J0, Jth 1 1 ln J0 d in g0 in g0 2L R1R 2 guadagno ottico corrente di soglia lineare corrente di soglia effetto laser

42 Corrente di polarizzazione Emissione spettrale luce laser a regime luce laser, coerente (<1Å) inizio effetto laser (modi cavità), luce incoerente emissione spontanea, luce incoerente

43 Emissione spettrale

44 Diodi laser