dispositivos fotÓnicos - microelectronica

DISPOSITIVOS FOTÓNICOS

Nadège BarrageTristan Brillet de Cande

Cristina Zúñiga ArnaizBelén Guijarro Bueno

Introducción

Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED

Definición: generación, detección, control y aplicación de la luz en diversos campos de la tecnología.

Aplicación: Telecomunicaciones y optoelectrónica.

Principio: combinación simultanea de microelectrónica y fotónica gracias a los semiconductores

Objetivo: convertir luz en corriente eléctrica (detectores, fotodiodos y células solares) o el contrario (diodos emisores de luz).

Aplicaciones concretas: Detectores de luz, células solares, indicadores, semáforos, luces de freno de los coches, lámparas, láseres, reproductores de CD y DVD, impresoras laser, etc.

Fotónica

LOS FOTOCONDUCTORES


Funcionamiento:

- Se basa en la colección de los portadores de carga que son generados por los fotones absorbidos dentro de un material

- Longitud de onda detectable máxima :

- Si , el material se hace transparente.Si , la absorción es tan importante que los fotones se absorben muy cerca de la superficie del semiconductor.


Los fotodetectores en general

LOS FOTOCONDUCTORES



Fabricación y uso actual de los fotodetectores:

- Hoy en día están formados por varias capas delgadas de semiconductores con distintos composiciones y dopajes.

- Se añaden otras capas aislantes (para disminuir las perdidas, modular la respuesta espectral...etc.) y capas metálicas (contactos eléctricos con el circuito externo)

- Varias aplicaciones: sistemas automáticos de apertura de puerta, televisión, fotografía digital, escáneres, lectores de código de barras, sensores ..etc.

Los fotodetectores en general

LOS FOTOCONDUCTORES



- Muy sencillos- Se basan en la fotoconductividad

Los fotoconductores: generalidades

Funcionamiento globalTransiciones de banda a banda intrínsecas o extrínsecas con la absorción óptica

incremento de la concentración de portadores en la banda de valencia o en la banda de conducción del semiconductor

se puede detectar y medir la intensidad de la radiación usando un semiconductor muy sensible a la radiación luminosa en una región de longitud de onda determinada

AplicacionesDetección en el infrarrojo y cuando los niveles de intensidad de luz son elevados(Son detectores de respuesta lenta no se pueden usar para aplicaciones de alta frecuencia)

LOS FOTOCONDUCTORES



Ec

Ef

qVo

Diagrama de bandas de energía :

Semiconductorintrínseco

e-

Ef

Evhv

h+

Metal (contacto)

Metal (contacto

)

LOS FOTOCONDUCTORES



Dispositivo para detectar y medir la luz :

Substrato aislante

Capasemiconducto

ra

Contactos metálicos

+

-

e-h+

Luz incidente

fotocorriente

No todos los portadores fotogenerados contribuyen a la conducción (una fracción importante se recombina)

OJO:

LOS FOTOCONDUCTORES



Semiconductores intrínsecos/extrínsecos

- Fotoconductores intrínsecos: la aparición de una fotocorriente ocurre sólo para luz de energía mayor que (energía de gap)

- Fotoconductores extrínsecos: esto ocurre para energías mucho menores que

Incremento de corriente

LOS FOTOCONDUCTORES



Recombinación y generación de portadores

- Estado “estacionario” velocidad de recombinación (R) = velocidad de generación de portadores (G)

Para un intrínseco: y

- Velocidad de arrastre de los electrones por el campo eléctrico :

LOS FOTOCONDUCTORES



Recombinación y generación de portadores

Hemos definido también:

Entonces, estas formulas conducen a un nuevo incremento de corriente:

Definiendo el tiempo de tránsito de los electrones entre dos electrodos:

Finalmente obtenemos:

Así tenemos R=G

y

LOS FOTOCONDUCTORES



Ganancia

- Corriente primaria debida a los portadores fotogenerados :

Corresponde a la velocidad de generación de carga en el semiconductor

- Factor de ganancia del fotodetector:

Material a usar

Conocer el factor de ganancia nos permite determinar el material lo más apropiado que hay que usar:Queremos una ganancia muy grande (para que los portadores sean colectados antes de que se recombinen)

lo mayor posible y lo más pequeño posible Usar semiconductores muy puros y libres de defectos

LOS FOTODIODOS


Diodo en polarización inversa con un voltaje alto para evitar el paso de los portadores mayoritarios. La detección de luz hace conducir los portadores minoritarios.Introducción

FotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED - Más rápido que un fotoconductor

- Más sensibilidad que un fotoconductor- Básicamente el mismo funcionamiento que un

fotoconductor

Definición

Características

LOS FOTODIODOS



Ev

Ec

NP ZCE

Ef

e-

h+

hv

ɛVoc

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

efecto fotovoltaico

P N

qVoc

Lh Le

LOS FOTODIODOS



I=I0[exp(qV/kT) – 1]

- IL

IL

I0

I

Diodo en oscuridad (simple)

Portadores generados por iluminación (corriente inversa)

IL=qGS(W+Le+L

h)=> Proporcional a G (generación de portadores)=> Proporcional a la iluminación

=> Convierte señal óptico en eléctrico

V

LOS FOTODIODOS



Aumentar la anchura de la ZCE

Þ Más radiación en esta región => más corrienteÞ Más lento => menor velocidad de los portadores

Disminuir la anchura de la ZCE

Þ Menos radiaciónÞ Más rápido

Un compromiso es necesario.

Ajustes

LOS FOTODIODOS



Fotodiodo con una capa intrínseca entre los semiconductores P y N.Ventaja => soportar tensiones inversas mucho más grandes

P N

ZECextrinseco

intrínseco

ZEC

ɛ1max fotodiodo

ɛ2max diodo p-i-n

ɛV proporcional a la

area de ɛ=>

Area ɛ1=Area ɛ2

Pero, para el mismo V aplicado,

ɛ1max>ɛ2max

Entonces, aguanta más tensión inversa hasta alcanzar el campo eléctrico de avalancha

ɛavalancha

I

Diodos p-i-n

LOS FOTODIODOS



hvPelícula anti reflectante

Contacto metálico

Aislante (SiO2)

LOS FOTODIODOS



Fotodetectores en pozos cuánticos

Longitud de onda de 10μm

Detecta radiación infrarroja

Utilizado para visión nocturna y imágenes térmica

LOS FOTODIODOS



E2

E1

hvhv hv

EF

F=0

4nm

20nm

50 pozos (PCM)

LOS FOTODIODOS



E2

E1

F≠0 => inclinación estructura de bandas

hv

hv

hv

Conducción

E2-E1=0,1eV

Radiacion hv=0,1eVCon v=1/10μm

LOS FOTODIODOS



Þ Diodo de SchottkyFuncionamiento: unión metal(oro)-semiconductor (dopado N)

=> fotocorriente como en la unión PN pero hace pasar la luz si la capa de metal es bastante delgada (10nm)=> ZCE muy cerca de la capa de incidencia => radiaciones son absorbidas => producen pares é/h que participan al fotocorriente inicial

Ventaja: radiaciones de pequeñas longitudes de onda absorbidos

Aplicación: detectores de ultravioletas con alta velocidad de respuesta

Þ Diodo de avalanchaFuncionamiento: voltaje aplicado mucho mayor => pares é/h

acelerados a grandes velocidades => impacto con los átomos del SC produce mas pares é/h => fenómeno de avalancha => la corriente se multiplica de varios ordenes

Ventaja: Gran gananciaAplicación: detección de poca intensidad de luz

Otros tipos de fotodiodos

CELULAS SOLARES



Definición

- ¡¡ NO lleva polarización externa !!- Operan en el cuarto cuadrante de la curva característica I-V- Básicamente el mismo funcionamiento que un fotodiodo

Características

Convierten directamente la energía de la luz del sol en corriente

eléctrica por medio del efecto fotovoltaico.

CELULAS SOLARES



n

p

RL

hvRecubrimientoantirreflectante

Contactosmetálicos

e-

h+

Fotones absorbidos en la unión p-n pares e- - h+ en BC y BV

Esquema

CELULAS SOLARES



I

Icel

Rs

ILRL V

I

Vm

Im

Isc

Voc

1/RL

Q

1eIII

IIIkTqv

OL

celL

ocscmmQ VI0'75PIP

Circuito equivalente y curva característica I-V

0

CELULAS SOLARES



EG óptimo entre 1’1 y 1’4 eV factor de eficiencia (Si y GaAs)

Células comerciales 15%

30%P

P

incidente

dasuministra

Características específicas

Semiconductores con EG muy concreta ya que si:

1. EG pequeña energía solar de menor λ es absorbida directamente en la superficie y prácticamente no contribuye a la corriente de la célula.

2. EG grande radiación con λ > λc (crítica) no es absorbida.

LOS LEDS



- Funcionan al contrario que el fotodiodo- La emisión de luz va acompañada de emisión de

calor- Hay de dos tipos:

- Gap directo- Gap indirecto

Definición

Características

Los diodos emisores de luz produce luz cuando pasa corriente a través de ellos efecto ELECTROLUMINISCENTE

LOS LEDS


Ev

Ec

NP ZEC

Ef

e-

h+

ɛ

V+ -

hv

hv


LOS LEDS

Microelectrónica – LEDS


Tipo materiales para los LEDS:

Gap indirecto La transición radiactiva se hace con cambio en el momento del electrón con la participación de un fonón o vibración en la red cristalina. Producen más calor al intentar producir luz.

Algunos de gap indirecto pero con energía más elevada pueden emitir luz visible siempre que eliminemos las transacciones no radiactivas (calor)

Además se utilizan para formar compuestos ternarios para aumentar de la banda prohibida.

Gap directo La transición radiactiva se hace sin cambio en el momento del electrón. Es mucho mas probable que ocurra que en los de gap indirecto.


LEDS


- Dependiendo el compuesto que utilicemos hacemos LEDS de un color u otro.

Compuesto Color Long. de onda

Arseniuro de galio (GaAs)

Infrarrojo 940nm

Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)

Rojo e infrarrojo 890nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

Rojo, naranja y amarillo

630nm

Fosfuro de galio (GaP) Verde 555nm

Nitruro de galio (GaN) Verde 525nm

Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul

Nitruro de galio e indio (InGaN)

Azul 450nm

Carburo de silicio (SiC) Azul 480nm

Diamante (C) Ultravioleta

- En un mismo compuesto dependiendo de la intensidad de la luz aplicada la longitud de onda varia.

- La intensidad de la luz que emite el LED depende de la corriente inyectada

Leds de colores


LEDS



+ -

Contacto metálicoÓxido

Capa pCapa n

Sustrato n

Emisión de luz

LED p-n+

Menos dopado p suficiente fino para que los fotones producidos puedan escapar sin ser reabsorbidos


LOS LEDS



PN+ P

AlGaAs AlGaAs AlGaAs

- Uniones entre dos semiconductores de distinto gap- Necesarios para LEDS de alta intensidad- Se inyectan e- desde el n+ a la p donde se recombinan

con los h+ provocando la emisión de fotones

LEDS con heterouniones


LOS LEDS



- Tienen diferente tipo de electroluminiscencia que los leds

- No necesitan un material de alta calidad

- Formados por:- Semiconductor policristalino de banda ancha- Dopado con un ión que actúa como centro

luminiscente

- El color depende del dopante

- Al aplicar un voltaje en los extremos hace que los e- inyectados por los electrodos sean acelerados y cuando estos e- interaccionan con los iones dopantes desprenden la energía absorbida en forma de luz.

- Según el tipo de material hay de dos tipos:- En polvo- De película delgada

Paneles electroluminiscentes


LED’S BLANCOS vs LED’S RGB



Definición

LED blanco. LED azul cubierto de fósforo convierte parte de la luz azul en luz amarilla. Este espectro combinado se percibe como luz blanca.

LED RGB consta de 4 patillas: el colector común, el color rojo (Red), el verde (Green) y el azul (Blue). Cambia el color en función de la intensidad.




En esta figura se muestra la gama de colores del sistema NTSC (National Television System Committee) frente a la gama de los LCDs retroiluminados mediante LEDs RGB, LEDs blancos y CCFL (cold-cathode fluorescent lamp)

Comparativa gráfica




Ventajas y desventajas

LED blanco. • Reproduce hasta un 70% de la gama de colores del

NTSC en un LCD.• Picos en el espectro de color no ideal para la

reproducción fotográfica.• Más sencillos de manejar.

LED RGB• Reproduce hasta un 100% de los colores del NTSC.• Mejor gama de colores al compaginarlos con filtros

de colores.

http://www.break.com/usercontent/2009/7/led-flex-flex-strip-strip-light-led-light-led-rgb-strip-led-821590.html



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