5 leds

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5 leds

  1. 1. Diodos Emisores de Luz (LED)1. Introducción2. Portadores y uniones pn3. Luminiscencia por inyección4. Materiales LED5. Recombinación6. Recombinación no-radiativa7. Procesos de Recombinación radiativa8. Eficiencia9. Estructura de LEDs10. Tiempos de respuesta11. Circuitos para operación de LEDs12. LEDs en una cavidad13. Visión Humana14. LEDs para iluminación15. LEDs Orgánicos (OLED)
  2. 2. Referencias• “Optoelectronics, an introduction” J. Wilson and J. Hawkes, Prentice Hall (1998)• “Semiconductor Optoelectronic Devices”, Pallab Bhattacharya, Prentice Hall (1997)• www.lightemittingdiodes.org, by E.F. Schubert• “Optoelectronics and photonics”, S.O. Kasap, Prentice Hall (2001)• PN Junction Devices, S.O.Kasap, http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf• “Optical Electronics in Modern Communications”, Amnon Yariv, Oxford University Press, 1997
  3. 3. 1 Introducción LED LÁSER emisión espontánea emisión estimulada sin cavidad necesita cavidad y espejos incoherente coherente multimodo 1 modo anchura de línea grande pequeño barato, fiable degradación output lineal modulación no lineal, pero anchura de banda pequeña
  4. 4. Aplicaciones de LEDs• Comunicación óptica• Pantallas• Iluminación (color o luz blanca): • semiconductores • semiconductores con fósforos
  5. 5. Aplicaciones de LEDs Previsión de la expansión del mercadoDesarrollo nuevo en: de Iluminación por LED• LEDs de alta potencia• LEDs en cavidades resonantes• LEDs de emisión azul/verde• LEDs Orgánicos (OLED)
  6. 6. Emisión del primer LEDEmisión de un diodo Schottky de SiC en 1907
  7. 7. 2. Portadores y Unión pn Distribución de portadores Mecánica estadística en semiconductores Los electrones en equilibrio térmico se distribuyen según estadística de Fermi-Dirac IH ( 7 = con ȝ el potencial químico y kB la cte. de Boltzman, [ȝ≡EF] ( −µ (kBT= 25 meV @ 300 K) +H N %7 Fermiones, Principio de Exclusión de Pauli 1.00Factor ocupación Fermi , f(E) 0.75 0.1 K (0.83 meV) 12 K (1 meV) ȝ, energía para la que ocupación = ½ 144 K (12 meV) A T=0, f ≡ función escalera 300 K (25 meV) 0.50 Para huecos: 0.25 ( −µ N %7 H 0.00 IK ( 7 = − (−µ = ( −µ = − ( −µ 0 10 20 30 40 50 60 70 Energía (kBT) +H N %7 +H N %7 +H N %7 Energías hacia abajo
  8. 8. Distribución de portadores Mecánica estadística en semiconductores Para energías mucho mayores que ȝ, la distribución se comporta como Maxwell-Boltzmann: ( µ − I0 −% ( 7 = $ H N %7 FRQ $ = H N %7 Probabilidades de ocupación bajas poca influencia Ppo Exclusión de PauliLa posición de ȝ (EF) depende de Nº e’s, N, y de distribución en energía de estados disponibles El nº de e’s por unidad de intervalo de energía es: Q ( = I (7 J ( FRQ J ( OD GHQVLGDG GH HVWDGRV Con lo que el número total de e’s: 1 = ³I ( 7 J ( G( y ȝ es como un parámetro de normalización para dar N correcto Para una densidad de estados parabólica y a T = 0 K: § P · § P · = ( π 1) () 1 =³ ( G( = () () = = π ¨ = ¹ © ¸ ¨ ¸ π © = ¹ P
  9. 9. Distribución de portadoresMecánica estadística en semiconductores Estadísticas degeneradas y no-degeneradasMuy pocos e’sprobabilidad de ocupación a T finita << 1 no-degeneradaaproximación de Maxwell-Boltzmann >>kBT ȝ > 2kBT dentro del gapMuchos e’s ȝprobabilidad de ocupación de algunos estados ~ 1 >>kBT degeneradaEstadística de Fermi-Dirac Incluso a T  0: = () = = P ( π 1) > 4kBT dentro de la banda
  10. 10. Portadores, diagrama de energía no-degenerada DOS Densidad de energía de los densidad de Distribución electrones = f(E)g(E) (BC) estados g(E) Fermi-Dirac © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
  11. 11. Ley de acción de masasMecánica estadística en semiconductores Si uno de los siguientes criterios se cumple: ¾Masa efectiva grande Válida estadística no-degenerada ¾Concentración de portadores pequeña ¾Alta temperatura Usando un mismo nivel de referencia de energías para BC y BV y mismo convenio de signos: ()K ()H − (J − S ≅ 1Y H N %7 Q ≅ 1F H N %7 QS = QL − (J N %7 Por lo que: Con QL = 1 F 1 Y H Sin dopaje (intrínseco)ni (cm-3) 0º C 50º C el nº de e’s y h’s debe ser el mismoSi 1.04x109 7.06x1010GaAs 1.02x105 2.18x107 (J N %7 §1 · (J N7 §P · () = + ORJ ¨ F ¸ = + % ORJ ¨ K ¸ en (intrínseco) © 1Y ¹ © P H ¹ EF cerca del medio del gap
  12. 12. Bandas de energíaintrínseco tipo n tipo p EFdegenerado tipo n tipo p - + © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
  13. 13. Unión pn ‘built-in potential’© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
  14. 14. Unión pnNA concentración de aceptoresND concentración de donores http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf
  15. 15. Unión pn portadores mayoritarios portadores minoritarios
  16. 16. Electrostática de la unión p-n4 3 2 1 9 = ρ(x) x T1 $-xp xn 9 = [ + [S ε E(x) T1 1 9 = − [ + [[Q + [Q ε 1$ V(x) T1 T1 $ 9 = [Q + [ S = 9L ε εVi w
  17. 17. Electrostática de la unión p-n4 3 2 1 Union real (LPE) ρ(x) ε 9D x ρ [ = [-xp xn D +[ E(x) 9D ( [ =− D +[ V(x) 9§ [ · 9 [ = ¨ − ¨ ¸ ¸Vi © D +[ ¹
  18. 18. Transporte NA concentración de aceptores ND concentración de donores conductividad: σ = TQµ H + TSµ KDrift corriente ohmica: (drift) movilidad= velocidad de drift promedio por unidad de campo ϑ Tτ H µH = =− ( PHDifusión difusión: De (electrones) Dh (huecos) H K N %7 relación de Einstein = µH K T
  19. 19. Electrostática de la unión p-n - + - + - + E jdiff jdrift § GQ ·M = MGULIW + MGLII = T¨ Qµ ( + ¸= © G[ ¹
  20. 20. Anchura de la zona de vaciado ρ(x) = depletion layer = space charge layer (SCL) x -xp xn T1 T1$ ½( = [Q = [S ° ε ε ° ª ε§ · º ¾ : = [Q + [ S = « ¨¨ 1 + 1 ¸9L » ¸ T ( ¬T© $¹ ¼9L = 1 $ [ S + 1 [Q = [Q + [ S ° ° ε ¿ ª ε º 1 >> 1 $ Ÿ : = « 9L » ¬ T1 $ ¼ Manda el dopaje residual
  21. 21. Polarización Sin polarizar Nivel de Fermi igual en todo el material Polarización directa (forward bias) Polarización inversa (reverse bias)Polarización: Vi Ÿ Vi-V ε § ·:= ¨ 9L − 9 ¨ + ¸ T © 1 1 $ ¸ ¹
  22. 22. Boltzmann Unión pn: polarización H − H 9 −9 N %7 circuito polarización abierto directa generaciónpolarización térmica deinversa portadores © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
  23. 23. Polarización directa© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
  24. 24. Corrientes a través de la unión p-n MHS→Q Q→ S MHQ→ S M H Inyección y difusión S →Q p M K S →Q n M H S →QM K Q→ S Generación térmica M K + drift MK → S Q G Corriente ohmica ( ≠ Ÿ - GU = TQµ( ∂Q G ∂Q Corriente de difusión ≠ Ÿ - GLII = T ∂[ G[ S→Q Q→ S S→Q Q→ S Equilibrio: M H = M H M K = M K
  25. 25. Corrientes a través de la unión p-n Polarización directa µ H K N %7 H K = T p n /H K = τ H K H K + - Longitud de difusión Log (n,p) pP0 nN0 nP(0-) pn(0+) § K S 1 H Q 3 ·§ T9 ·M = T¨ ¨ / + ¸¨ H ¸¨ N7 − ¸ ¸ pN0 /H nP0 δp(x) © K ¹© ¹ δn(x) W
  26. 26. Polarización inversa© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
  27. 27. Electrostática de la unión p-n Polarización inversa T9 T9 − p 9 → −9 Ÿ H N7 − →H N7 − ≈− § K S 1 H Q 3 · n ¨ M ≈ −T¨ + ¸ = MV ¸ © /K /H ¹En general: § T9 · jSM = MV ¨ H − ¸ ¨ N7 ¸ © ¹ V > meV T9 ηI M = MV H N7
  28. 28. Ecuación del diodoEn general: § T9 ·M = MV ¨ H − ¸ ¨ N7 ¸ © ¹ jS
  29. 29. 3 Luminiscencia por inyección Polarización directa Inyección de portadores minoritarios Recombinación radiativa λJ = KF ( J KF λJ = (F − (Y = ( J
  30. 30. Densidad de portadoresPolarización Directa Inversa p n p n Portadores Mayoritarios Portadores minoritarios
  31. 31. Homouniones y heterounionesHomounión Sin PolarizarHomounión Polarización directaHeterounión Polarización directa doble
  32. 32. 4 Materiales para LEDs
  33. 33. Materiales para LEDs• GaAs Eg=1.43 eV (860 nm) Zn en tipo n GaAs Si en material tipo p o n (más eficiente)• GaP Eg=2.26 eV (549 nm) gap indirecto O impureza profunda• GaAs1-xPx de directo x<0.45 a indirecto x>0.45• GaxAl1-xAs alta eficiencia rojo e IR• III-V Nitruros GaN, AlN, .. azul-verde• InP (compuestos) InGaAs, InGaPAs IR cercano: 1.1 – 1.6 µm uso: comunicaciones con fibra óptica• II-VI (ZnSe .. ) degradación• SiC difícil fabricación
  34. 34. Materiales semiconductores para LEDs
  35. 35. Atenuación deuna Fibra Óptica
  36. 36. Semiconductores III-VEl sistema AlGaAs apto para LEDs IR y rojo de alta potencia
  37. 37. El sistema AlGaInP/GaAsSistema para LEDs muy brillantes en el rojo, naranja y amarillo
  38. 38. 5 RecombinaciónA) radiativa B) NO-radiativa• Transiciones Interbanda • Trampas• Centros de Impureza • Superficie• Excitones • Auger
  39. 39. Recombinación radiativa Transiciones InterbandaConservación de vector de onda total Directa Indirecta N IRWRQ = π λ << π D ≈ NHOHFWURQ Ec ( D constante de red) -> transiciones verticales EvCoeficiente de recombinación r : r=BnpB constante del material(direct recombination capture coefficient) Transiciones indirectas necesitan fonon paraProblema: reabsorción de fotones conservación de kemitidos es posible
  40. 40. Constante de Recombinación indirecto directo
  41. 41. Recombinación radiativa Recombinación por centros de impurezaBanda deConducción - Nivel de donorBanda de - Nivel de aceptorValencia Electrón en impureza: localizado ∆[∆ S ≥ = ∆N ≥ ∆[ π ∆[≈D ∆N ≥ ≈ FRPSDUDEOH FRQ ∆[ D D ( D constante de red) transiciones indirectas posibles sin fonones
  42. 42. Recombinación radiativa Recombinación por centros de impureza Ec Banda de Conducción - Ed Nivel de donor - Ea Nivel de aceptor Ev Banda de ValenciaImpurezas poco profundas Impurezas profundas Ec-Ed , Ea-Ev ≈ 0.02 eV ≈ 0.8 eV para O en GaP kT ≈ 0.025 eV ¡no hay reabsorción ! reabsorción posible
  43. 43. Recombinación radiativa Recombinación por excitones Energía de ligadura Eb del excitón (par de electrón-hueco ligado): PU § · (E = ¨ ¨ε ¸ ¸ H9 P © U ¹mr masa reducidaGaAs: εr =11.5, mr =0.06m0 : Eb = 5.9 meV (calc), 4.8 meV (medida)Excitones libres o ligados a impurezas neutrales o ionizadosEnergía de ligadura de un excitón ligado a una impureza: Eb ≈ 0.1 Ei
  44. 44. Espectro de Emisión Interbanda © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall), ( ∝ ( − (F H − ( − () N7 N %7 λ ∆λ ≈ KF(HPLVLyQ ≈ ( J + N %7 λ=870 nm, T=300 K : ∆λ0 = 47 nm∆( = − N %7
  45. 45. 6 Recombinación no-radiativa • Trampas (niveles profundos) • Superficie • Augerno-radiativa Nivel profundo Auger radiativa
  46. 46. Recombinación no-radiativa: TrampasNivel profundo (trampa) producido por una variedad de defectos: impurezas: sustitucional, intersticial, vacantes, combinaciones de ET La trampa puede capturar o emitir huecos o electrones
  47. 47. RecombinaciónTrampa opticamente activa
  48. 48. Recombinación no-radiativa: Trampas Teoría de Shockley-Read-Hall de recombinación: QS − QL 5QU = VϑWK 1 7 Ritmo de § ( − ( )L · recombinación Q + S + QL FRVK ¨ 7 ¨ N 7 ¸ ¸ no-radiativa © % ¹ V = VHFFLyQ HILFD] ϑWK = YHORFLGDG WpUPLFD GH ORV SRUWDGRUHV 1 7 = FRQFHQWUDFLyQ GH WUDPSDV ( )L = QLYHO LQWUtQVHFR QS − QL desviación de equilibrio ET se aleja del centro del gap Ÿ R ↓
  49. 49. Recombinación no-radiativa: Trampas• Semiconductor tipo n: n >> p• ET en el centro del gap,• inyección de bajo nivel (∆n << n0) 5QU = VϑWK 1 7 [ S − S ] Tiempo de vida no depende de la concentración de portadores = [S − S ] mayoritarios n τK Rnr determinado por concentración portadores minoritariosτK = VϑWK 1 7
  50. 50. Recombinación no-radiativa: Superficie
  51. 51. Recombinación no-radiativa: Superficie Portadores Mayoritarios Portadores minoritarios
  52. 52. Recombinación no-radiativa: Superficie Estados de defectos a la superficie por ‘lazos sueltos’, o ligados a Oxigeno minimizar: • pasivar con un dielectrico (SiO2 o SiN por ejemplo) • heterounión (materiales con gap más grande no hay absorción: ventana)Inyección en tipo n: n >> pNST densidad de estados a la superficie. Ritmo de recombinación a la superficie: RS = flujo de portadores minoritarios (huecos)
  53. 53. Recombinación no-radiativa: SuperficieInyección en tipo n: n >> pNST densidad de estados a la superficie, hasta una profundidad [ORitmo de recombinación a la superficie RS = flujo de portadores minoritarios (huecos) a la superficie ∂S56 = VϑWK 1 67 [O [ S ( ) − S ] = K ∂[ [ =Velocidad de recombinación a la superficie:6 5 = VϑWK 1 67 Recombinación a la superficie en semiconductor tipo p
  54. 54. Recombinación no-radiativa: Superficie
  55. 55. 7 El proceso de Recombinación Portadores minoritarios en exceso se recombinan después de un tiempo de vida con portadores mayoritarios.
  56. 56. Ritmo de RecombinaciónEn un semiconductor tipo n : generación y recombinación de huecos: Ritmo de Recombinación (Recombination rate) 5= (S − S ) τK τK tiempo de vida del hueco Recombinación - Radiativa - No-Radiativa - Volumen: Defectos, Trampas, Auger, … - Superficie foton fonon
  57. 57. Procesos de recombinación radiativaTiempo de vida de los portadores: = + τ τ U τ QU no-radiativaRitmo de recombinación total: 5WRWDO = 5U + 5QU = 5VS Eficiencia cuántica interna (eficiencia radiativa de recombinación): 5U ηU = = FXDQGR τ U QU = ∆Q 5U QU (proceso exponencial) 5U + 5QU + τ U τ QU ∆Q Concentración de portadores en exceso
  58. 58. PortadoresQ S = QL ‘law of mass action’ ni concentración intrínseca S = S + ∆S Inyección: Q = Q + ∆Q QS − QL Desviación de equilibrio
  59. 59. Recombinación radiativa: Interbanda S = S + ∆S 5U = %U QS 5U = %U (Q + ∆Q )( S + ∆S ) Q = Q + ∆Q ∆Q = ∆SRitmo de recombinación de portadores en exceso (inyectados): ∆Q 5UH[ = τURitmo de recombinación de portadores en equilibrio: 5U = %U Q SRitmo de recombinación GQ G ∆Q 5UH[ = − =− = %U ( Q + ∆Q )( S + ∆S ) − %U QL GW GW
  60. 60. Recombinación radiativa: InterbandaRitmo de recombinación de portadores en exceso (inyectados): G ∆Q 5UH[ = − = %U ∆Q ( Q + S + ∆Q ) GW τU = %U ( Q + S + ∆Q )Inyección baja ∆n, ∆p << n0, p0 τU = %U ( Q + S )tipo n: n0 >> p0 G∆S − = %U Q ∆S Ÿ ∆S = ∆S ( ) H[S ( − %U QW ) = ∆S ( ) H[S ( −W τ K ) GW
  61. 61. Recombinación radiativa: InterbandaInyección baja ∆n << n0, p0 − τ K U = ( %Q ) Tiempo de vida de recombinación de portadores minoritarios (de huecos en material tipo n) determinado por concentración de portadores mayoritarios G ∆QInyección alta ∆n >> n0, p0 5UH[ = − = %U ∆Q ( Q + S + ∆Q ) GW − τ U ≅ ( % ∆Q ) Caso de LED con inyección alta y láser determinado por concentración de portadores inyectados (minoritarios)
  62. 62. Tiempo de vida de portadores minoritarios −τ U = ( %Q ) 1 µVGaAs a 300 K 1 QV Tiempo de vida disminuye con dopaje
  63. 63. Ritmo en GaAs y Si radiativa Rb-b interbanda no-radiativa Rdl nivel profundo RA Auger
  64. 64. 8 EficienciaEficiencias de¾ inyección η LQ la parte de la corriente creando portadores minoritarios para recombinar¾ recombinación ηU η U = 5U (5U + 5QU ) (interna)¾ extracción ηH nº fotones emitido al exterior / total emitido Total( conversión externa) η = η LQ η U η H 3RXW 2SWLFDO η = η H[WHUQD = ,9
  65. 65. Eficiencia de materiales LED
  66. 66. Eficiencia de inyección ηLQ Corriente a través de la unión p-n en polarización directa § K S 1 H Q 3 ·§ T9 · M = MK + + MH − = T¨ ¨ / + ¸¨ H − ¸ ¸¨ N7 ¸ © K /H ¹© ¹ Para sólo inyección de electrones en capa p H Q 3Electrones inyectados − en la parte p MH /H = η LQ = + − = Corriente total MK + MH K S 1 + H Q 3 /K /H
  67. 67. Eficiencia de inyección ηLQ Para sólo inyección de electrones en capa p η LQ = ≈ K /H S 1 µ K S3 + + H /K Q 3 µHQ1 con µ H >> µ K /H ≈ /K Q3 S3 = Q1 S 1 = QLŸ η LQ ≅ mas alta con nN >> pP capa n mas dopado
  68. 68. Dispositivo con sólo inyección de electrones ηLQ p n LED Asimétrico: ρ(x) Unión n+-p : ND (capa n) >> NA (capa p) x-xp xn 1 [Q = 1 $ [ S Ÿ 9 S >> 9Q E(x) Realización de nN >> pP V(x) Sólo importan para la recombinación electrones minoritarios inyectados en capa pVi w
  69. 69. Union n+-p : Surface-emitting LED ηLQsimple y barato por ejemplo: - con emisión de excitones (GaP) - heterouniones energía emisión < energía gap
  70. 70. Eficiencia de Recombinación ηU η U = 5U (5U + 5QU )Materiales de gap directo (homounión) ~ 50% - electrones entran profundo en región activa - fotones reabsorbidos - fotones emitidos hacia dentro del LEDMateriales de gap indirecto: pequeñocon impurezas profundas: GaP:Zn, O: ~ 30% GaP:N ~ 3%Estructuras de Doble Heterounión: 60 - 80%
  71. 71. Eficiencia de extracción ηHLimitado por:1. Reabsorción
  72. 72. Eficiencia de extracción ηHLimitado por:2. Geometría de radiación del LED (fotones emitidos con θ > θc atrapados) θ F = VLQ − (Q Q ) Para GaAs n=3.6 θc=17º
  73. 73. Eficiencia de extracción ηH §Q · ª §Q −Q · ºFracción transmitida )= ¨ ¨Q ¸ ¸ « −¨ ¨Q +Q ¸ » ¸a medio 2 © ¹ « © ¬ ¹ » ¼GaAs: n1=3.6, n2=1 (aire) F ≈ 0.013 n2=1.5 (plástico) F ≈ 0.036
  74. 74. Distribución angular de Intensidad ηH
  75. 75. Distribución angular de Intensidad ηHLED planar:Lambertian, , FRV Φ
  76. 76. Eficiencia de extracción ηH (ILFLHQFLD H[WHUQD 7,3 /( YV /( FRQYHQFLRQDO /DUJH -XQFWLRQ
  77. 77. Recombinación en gap indirecto- GaAsP nivel NEnergía deemisión
  78. 78. Eficiencia externa (total) η
  79. 79. Eficiencia externa (total) η
  80. 80. Perdidas al acoplar con una fibra ηFFibra con índice núcleo nr 1, índice ‘capa’ nr 2 (nr 1 > nr 2)Angulo de aceptación: θ D = VLQ − (QU − QU ) = VLQ − ( $Q )An apertura numérica Eficiencia de acoplo: ηF = VLQ θ D
  81. 81. 9 Estructuras: LED de heterouniónHomounión Sin PolarizarHomounión Polarización directaHeterounión Polarización directa doble
  82. 82. Estructuras: LED de heterounión unión p n+Problemas con homouniones:1. estados de superficie en capa p cerca de la unión Ÿ recomb. no radiativa2. electrones inyectados en capa p se alejan por difusión, recombinan con portadores mayoritarios de forma no radiativa3. reabsorción posibleVentajas heterounión:1. densidad estados intercara << densidad de estados superficie2. barrera es transparente para luz emitido (no hay reabsorción)3. eficiencia de inyección mayor
  83. 83. Estructuras: LED de heterounión AlxGa1-xAs AlxGa1-xAs zona activa delgada GaAs 1000 – 2000 ǖ p- con polarización directa
  84. 84. Heterounión doble: Eficiencia de Recombinación 60 % ηU
  85. 85. Burrus Surface Emitting diode
  86. 86. LEDs acoplados a una fibra Fibra con final esférico Microlente Lente integrado
  87. 87. LEDs acoplados a una fibra Lente integrado
  88. 88. LED emitiendo por el borde divergencia reducida
  89. 89. Estructuras especiales: dispersión de corriente Contacto hace sombra, con capa extra sale mas luz
  90. 90. Estructuras especiales: sustrato transparente (TS)
  91. 91. Estructuras especiales: pirámide invertida total external efficiency of 55%
  92. 92. 10 Tiempos de respuesta Tiempo de respuesta típica de un LED < 1 µs • suficiente para pantallas • crítico para uso en comunicación óptica Factores que limitan: 1. Capacidad de la unión, 9L − 9H[W causado por variación de la carga por Vext = (tiempo RC) & Tε1$ 2. Capacidad de difusión: La carga inyectada desaparece por difusión y recombinación Con modulación de Vext (bias) la carga tiene que desaparecer por difusión, para adquirir nuevo equilibrio. Ÿ tiempo de vida de portadores minoritarios es determinante
  93. 93. Tiempos de respuestaElectrones inyectados en capa pDensidad de electrones en exceso n disminuye por recombinación y difusión∂Q( [ W ) ∂ Q( [ W ) = − 5 + H 5= Q( [ ) ∂W ∂[ τRespuesta a una modulación Q [ W = Q [ + Q [ H[S(LωW ) 3ωRespuesta del LED: U (ω ) = = ( +ω τ ) 3τ tiempo de vida de portadores minoritarios
  94. 94. Tiempos de respuesta / modulaciónMejor respuesta con τ pequeño, se consigue con: 1. Mayor dopaje − τ = ( %Q ) GaAs: dopaje alto: formación de centros no-radiativos τ = 1.4 ns 2. Dopaje bajo, zona activa pequeña, inyección alta − τ ≅ ( % ∆Q ) J densidad de corriente de inyección d región activa J/de nº de recombinaciones / m3s = R -τ § HG · ∆Q = Ÿ τ =¨ ¸ HG © -% ¹
  95. 95. Tiempos de respuesta / modulaciónFormulación alternativa: anchura de banda : frecuencia a la cual P disminuye 3dB Potencia de salida en función de la modulación MHz
  96. 96. 11 CircuitosDCAC I ~ 20 – 100 mA Vdirecta 1.2 V (GaAs) 2 V (GaP)
  97. 97. Circuito para modulación
  98. 98. 12 LED en cavidad resonante (RCLED)
  99. 99. RCLED - modos en una cavidadSolape de la emisión espontánea con modo de cavidad
  100. 100. Distributed Bragg Reflector (DBR)
  101. 101. Distributed Bragg Reflector (DBR)
  102. 102. Distributed Bragg Reflector (DBR)Reflector aire/Plata DBR
  103. 103. RCLED vs. VCSELVCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) tiene menosintensidad en régimen de emisión espontánea
  104. 104. RCLED
  105. 105. RCLED espectro de emisión
  106. 106. 13 Visión humana: sensibilidad del ojoFunción de lasensibilidad del ojohumano V(λ)Definición del lumen:Luz verde (555 nm) de 1W tiene un flujo luminosode 683 lm
  107. 107. Visión humanaLas funciones son similar a la sensibilidad espectral de los conos en el ojo
  108. 108. Visión humana
  109. 109. Visión humana
  110. 110. Mezclar colores
  111. 111. Visión humana y LEDs
  112. 112. 14 LEDs con luz blanca LED de InGaN emitiendo azul con un fósforo emitiendo en amarillo primer diseño diseño sobre un solo chip
  113. 113. Luz blanca con LEDs
  114. 114. LED para iluminación
  115. 115. LED para iluminaciónFlujo luminoso Precio
  116. 116. 15 LEDs orgánicos (OLEDs) Carbono con hybridización sp2 E • visible
  117. 117. LEDs orgánicosPequeñas moléculas orgánicas (tipo benzeno como unidad básica) E visible lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) highest occupied molecular orbital (HOMO)
  118. 118. LEDs orgánicosSemiconductores de polímeros orgánicos, cadena 1Dconducción por ‘hopping’ de una cadena a otra
  119. 119. LEDs orgánicosFuncionamiento de un OLED:configuración simple: configuración para hacer coincidircontactos de diferentes electrones y huecosmetales
  120. 120. LEDs orgánicosDesventaja: vida útil limitada
  121. 121. LEDs orgánicos Pantallas: Sony Kodak
  122. 122. Referencias• “Optoelectronics, an introduction” J. Wilson and J. Hawkes, Prentice Hall (1998)• “Semiconductor Optoelectronic Devices”, Pallab Bhattacharya, Prentice Hall (1997)• www.lightemittingdiodes.org, by E.F. Schubert• “Optoelectronics and photonics”, S.O. Kasap, Prentice Hall (2001)• PN Junction Devices, S.O.Kasap, http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf• “Optical Electronics in Modern Communications”, Amnon Yariv, Oxford University Press, 1997

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