Dispositivi a semiconduttore

regione attiva E Fn E g E g E Fp E Fn E Fp + + + + + + + + + +

Laser a omogiunzione elettrodo di metallo 200 500 μm x 100 200 μm zona p regione attiva zona n fascio laser y

p Al x Ga 1 x As p GaAs n Al x Ga 1 x As x n + GaAs substrato y

Confinamento lungo x p Confinamento elettrico Confinamento ottico

Doppio confinamento corrente x 2μm elettrodo ossido p Ga 1 x Al x As GaAs n Ga 1 x Al x As n GaAs substrato y elettrodo

Schemi alternativi Dimensione laterale della zona attiva 2-5 μm

Ga 1-x Al x As 0.8 μm Pompaggio Lettura compact disc Ga 1-x In x As 1-y P y Sorgenti per TLC Copre intervallo 0.9-1.6 μm Ga 0.8 In 0.2 As Sorgenti di pompa per TLC 0.98 μm

Reticolo cristallino Reticolo di Silicio/ Germanio Reticolo di GaAs/ InP

Laser recenti : In x Ga 1-x N 0.37-0.5 μm DVD Blu ray

Materiali II VI Lunghezze d onda molto lunghe Infrarosso 2 32 μm Inversione di popolazione solo alla temperatura di azoto liquido Per questa applicazione: Quantum Cascade Lasers

Fascio astigmatico Direzione x : 0.5 μm divergenza angolare 40-50 Direzione y : 5 μm divergenza angolare 5-6 Collimazione : lente cilindrica

60 30 T= 0 C 50 100 corrente (ma) T= 60 C T= 25 C Potenza di uscita (mw)

Caratteristiche dei laser λp nm 850 1300 1550 Δλmax nm 2.0 5.0 7.0 dλ p /dt nm/ C 0.22 0.5 0.73 dλ q /dt nm/ C 0.06 0.12 0.18

Comportamento multimodale

Laser DFB elettrodo regione attiva strato anti riflesso strato anti riflesso elettrodo

Multi quantum well

VCSEL emissione laser elettrodo reticolo di Bragg ossido strato attivo reticolo di Bragg elettrodo

Modulazione esterna trasmettitore Linea di trasmissione ottica diodo laser modulatore segnale elettrico 1 0 0 1 1 0 1 Modulazione diretta 1 0 0 1 1 0 1 segnale elettrico diodo laser Linea di trasmissione ottica

LED elettrodo p Ga As x P 1 x n Ga As x P 1 x substrato elettrodo

Rivelatori termo elettrici Bolometro V DB =0 se il ponte è bilanciato R(T o )=R o (1+α(T T o )) Effetto Seeback: forza elettromotrice indotta da gradiente termico lungo un metallo E σ = T2 T1 σ ( T) dt

Cella fotoelettrica Efficienza quantica η = 10-4 10-1 Corrente generata i = eηp/hν Sensibilità del rivelatore s = i/p = eη/hν [A/W] Fototubo moltiplicatore I dinodi sono posti a potenziale crescente ΔV 100 V

Fotorivelatori in semiconduttore Fotorivelatori per medio infrarosso Raffreddati: eccitazione termica compete con assorbimento Rivelazione lontano IR: materiali drogati p Ge_Zn risponde a 60 μm

Fotorivelatori fotovoltaici p n lacune hν E g elettroni anodo catodo E Fp E Fn p lacune ΔV elettroni Corrente fotogenerata è proporzionale alla potenza ottica incidente

Caratteristica tensione corrente Zona di break down Fotodiodo a valanga

Tempi di risposta Compromesso tra sensitivity e velocità di risposta. Se area attiva capacità parassita e tempi di transito della carica Fotodiodo rispondono fino a centinaia di GHz R C R S anodo I C R P catodo Fotodiodo PIN Regione intrinseca corrisponde alla zona di carica spaziale Maggiore efficienza (+ area efficace) Tempi di risposta + lenti

Fotodiodo silicio Strato antiriflesso

InGaAs Germanio

CCD (charge coupled device) Boyle & Smith Premio Nobel per la fisica 2009

Celle fotovoltaiche

Celle fotovoltaiche Our planet receives ~1.2 10 17 W of solar power, while the rate of current worldwide energy consumption is ~10,000 times smaller at ~1.3 10 13 W. This means that the Earth receives more solar energy in an hour than the total energy it consumes in an entire year. Solar energy alone has the capacity to meet all the planet s energy needs for the foreseeable future.

Celle fotovoltaiche

Celle fotovoltaiche Prima generazione: singola giunzione p n basata su monocristallo c Si,mc Si, o c GaAs, c InP Efficienza di conversione massima η max : 29% c Si Due principali meccanismi di perdita: l impossibilità di assorbire fotoni con hν <E g e la termalizzazione dell energia hν E g dei foto elettroni per hν>e g Seconda generazione: tecnologia a film sottili per ridurre il costo del substrato, la quantità di materiale fotoattivo, i costi di processo (con riduzione di η max ). I moduli a film sottile hanno costi inferiori rispetto al Si cristallino, ma anche efficienza inferiore. A parità di potenza installata, necessitano di superficie quasi doppia:sono quindi vantaggiosi nel caso di coperture con grandi superfici e per versatilità d impiego. Es.:poly Si, a Si,CdTe, CuInGaSe2(CIGS)

Celle fotovoltaiche Terza generazione: celle a livelli di energia multipli, per aumentare η max a) Multigiunzioni(+ eventuali concentratori) b) Generazione di coppie multiple da singolo fotone con hν>>e g o di singole coppie da più fotoni con hν < E g c) Cattura delle cariche fotoeccitate prima della loro termalizzazione d) Amplificazione dell assorbimento in film ultrasottili mediante guide d onda nanostrutturate fotoniche/plasmoniche

Modulatori a elettro assorbimento

Modulatori a elettro assorbimento elettrodo di metallo 150 μm zona p regione attiva zona n Design simile ad un laser Rapporto di estinzione > 15dB Frequenze di modulazione fino a 40Gbit/s Comunicazioni ottiche: InGaAsP o InGaAlAs su substrato InP Tensioni dell ordine del Volt