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Introducción                  Definición: generación, detección, control y aplicación de la luz enIntroducción            ...
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DISPOSITIVOS FOTÓNICOS - Microelectronica

  1. 1. DISPOSITIVOS FOTÓNICOS Nadège Barrage Tristan Brillet de Cande Cristina Zúñiga Arnaiz Belén Guijarro Bueno
  2. 2. Introducción Definición: generación, detección, control y aplicación de la luz enIntroducción diversos campos de la tecnología.FotoconductoresFotodiodos Aplicación: Telecomunicaciones y optoelectrónica.Células solaresLED 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. Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  3. 3. LOS FOTOCONDUCTORES Funcionamiento: - Se basa en la colección de los portadores de carga que sonIntroducción generados por los fotones absorbidos dentro de un materialFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED - 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. Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  4. 4. LOS FOTOCONDUCTORES Fabricación y uso actual de los fotodetectores:Introducción - Hoy en día están formados por varias capas delgadas deFotoconductores semiconductores con distintos composiciones y dopajes.FotodiodosCélulas solaresLED - 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. Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  5. 5. LOS FOTOCONDUCTORES - Muy sencillos - Se basan en la fotoconductividadIntroducción Detección en el infrarrojo y cuando los niveles de intensidad deFotoconductoresFotodiodos luz son elevadosCélulas solares (Son detectores de respuesta lenta  no se pueden usar paraLED aplicaciones de alta frecuencia) Transiciones 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 Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  6. 6. LOS FOTOCONDUCTORES Metal e- EcIntroducción (contacto)Fotoconductores Ef qVoFotodiodosCélulas solares hvLED Ev Ef h+ Metal (contacto) Semiconductor intrínseco Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  7. 7. LOS FOTOCONDUCTORES Contactos metálicos Luz incidente +Introducción h+ e-FotoconductoresFotodiodos -Células solaresLED Capa semiconductora Substrato aislante fotocorriente No todos los portadores fotogenerados contribuyen a la conducción (una fracción importante se recombina) Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  8. 8. LOS FOTOCONDUCTORES - Fotoconductores intrínsecos: la aparición de una fotocorriente ocurre sólo para luz de energía mayor que (energía de gap)IntroducciónFotoconductores - Fotoconductores extrínsecos: esto ocurre para energíasFotodiodos mucho menores queCélulas solaresLED Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  9. 9. LOS FOTOCONDUCTORES - Estado “estacionario”  velocidad de recombinación (R) = velocidad de generación de portadores (G)IntroducciónFotoconductoresFotodiodos Para un intrínseco: yCélulas solaresLED - Velocidad de arrastre de los electrones por el campo eléctrico : Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  10. 10. LOS FOTOCONDUCTORES Así tenemos R=G  Introducción y FotoconductoresFotodiodos Hemos definido también:Células solaresLED Entonces, estas formulas conducen a un nuevo incremento de corriente: Definiendo el tiempo de tránsito de los electrones entre dos electrodos: Finalmente obtenemos: Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  11. 11. LOS FOTOCONDUCTORES - Corriente primaria debida a los portadores fotogenerados :IntroducciónFotoconductores Corresponde a la velocidad de generación de carga en elFotodiodos semiconductorCélulas solaresLED - Factor de ganancia del fotodetector: 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 Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  12. 12. 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.IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED - Más rápido que un fotoconductor - Más sensibilidad que un fotoconductor - Básicamente el mismo funcionamiento que un fotoconductor Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  13. 13. LOS FOTODIODOS P ZCE N hv e-Introducción EcFotoconductoresFotodiodos Ef qVocCélulas solares EvLED h+ ɛ efecto fotovoltaico Voc Lh Le P + - + - N + - + - + - + - Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  14. 14. LOS FOTODIODOS I=I0[exp(qV/kT) – 1] - IL Portadores generados por iluminación (corriente inversa) Diodo en oscuridad (simple)IntroducciónFotoconductores IFotodiodosCélulas solaresLED I0 V IL IL=qGS(W+Le+Lh) => Proporcional a G (generación de portadores) => Proporcional a la iluminación => Convierte señal óptico en eléctrico Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  15. 15. LOS FOTODIODOS Aumentar la anchura de la ZCEIntroducción Más radiación en esta región => más corrienteFotoconductores Más lento => menor velocidad de los portadoresFotodiodosCélulas solares Disminuir la anchura de la ZCELED Menos radiación Más rápido Un compromiso es necesario. Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  16. 16. LOS FOTODIODOS Fotodiodo con una capa intrínseca entre los semiconductores P y N. Ventaja => soportar tensiones inversas mucho más grandesIntroducción ɛFotoconductoresFotodiodos ɛ avalancha V proporcional a laCélulas solares ɛ1max fotodiodo area de ɛ=>LED ɛ2max diodo p-i-n Area ɛ1=Area ɛ2 Pero, para el mismo V aplicado, extrinseco ZEC ZEC ɛ1max>ɛ2max Entonces, aguanta intrínseco P I N más tensión inversa hasta alcanzar el campo eléctrico de avalancha Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  17. 17. LOS FOTODIODOS Película anti reflectante hv Aislante (SiO2)IntroducciónFotoconductoresFotodiodos ContactoCélulas solaresLED metálico Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  18. 18. LOS FOTODIODOS Longitud de onda de 10μmIntroducciónFotoconductores Detecta radiación infrarrojaFotodiodos Utilizado para visiónCélulas solares nocturna y imágenesLED térmica Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  19. 19. LOS FOTODIODOS F=0 E2IntroducciónFotoconductoresFotodiodos 20nmCélulas solares EFLED hv hv hv E1 4nm 50 pozos (PCM) Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  20. 20. LOS FOTODIODOS F≠0 => inclinación estructura de bandas E2IntroducciónFotoconductoresFotodiodos Conducción hvCélulas solaresLED hv E1 hv E2-E1=0,1eV Radiacion hv=0,1eV Con v=1/10μm Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  21. 21. LOS FOTODIODOS Diodo de Schottky Funcionamiento: 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 capaIntroducción de incidencia => radiaciones son absorbidas => producen paresFotoconductores é/h que participan al fotocorriente inicialFotodiodosCélulas solares Ventaja: radiaciones de pequeñas longitudes de onda absorbidosLED Aplicación: detectores de ultravioletas con alta velocidad de respuesta Diodo de avalancha Funcionamiento: 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 ganancia Aplicación: detección de poca intensidad de luz Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  22. 22. CELULAS SOLARES Convierten directamente la energía de la luz del sol en corriente eléctrica por medio del efecto fotovoltaico.IntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED - ¡¡ NO lleva polarización externa !! - Operan en el cuarto cuadrante de la curva característica I-V - Básicamente el mismo funcionamiento que un fotodiodo Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  23. 23. CELULAS SOLARES Recubrimiento hv antirreflectanteIntroducciónFotoconductores h+Fotodiodos nCélulas solares RLLED e- p Contactos metálicos Fotones absorbidos en la unión p-n  pares e- - h+ en BC y BV Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  24. 24. CELULAS SOLARES I Rs IIntroducciónFotoconductoresFotodiodos Vm VocCélulas solares IL Icel RL VLED Im Isc Q 1/RL I I L Icel qv kT PQ I m Pm 075 I sc Voc 0 I I L IO e 1 Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  25. 25. CELULAS SOLARES Semiconductores con EG muy concreta ya que si:IntroducciónFotoconductores 1. EG pequeña  energía solar de menor λ es absorbidaFotodiodos directamente en la superficie y prácticamente no contribuyeCélulas solaresLED a la corriente de la célula. 2. EG grande  radiación con λ > λc (crítica) no es absorbida. Psum inistrada EG óptimo entre 1’1 y 1’4 eV  factor de eficiencia 30% (Si y GaAs) Pincidente Células comerciales 15% Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  26. 26. LOS LEDS Los diodos emisores de luz produce luz cuando pasa corriente a través de ellos  efecto ELECTROLUMINISCENTEIntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED - Funcionan al contrario que el fotodiodo - La emisión de luz va acompañada de emisión de calor - Hay de dos tipos: - Gap directo - Gap indirecto Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  27. 27. LOS LEDS P ZEC N e-Introducción Ec hvFotoconductoresFotodiodos Ef hvCélulas solares EvLED h+ ɛ + V - Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  28. 28. LOS LEDS Gap directo  La transición radiactiva se hace sin cambio en el momento del electrón. Es mucho mas probable queIntroducción ocurra que en los de gap indirecto.FotoconductoresFotodiodosCélulas solares Gap indirecto  La transición radiactiva se hace con cambioLED 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. Microelectrónica – LEDS Dispositivos fotónicos
  29. 29. LEDS - Dependiendo el compuesto que utilicemos hacemos LEDS de un color u otro. - En un mismo compuesto dependiendo de la intensidad de la luz aplicada la longitud de onda varia.Introducción - La intensidad de la luz que emite el LED depende de laFotoconductoresFotodiodos corriente inyectadaCélulas solares Compuesto Color Long. de ondaLED Arseniuro de galio Infrarrojo 940nm (GaAs) Arseniuro de galio y Rojo e infrarrojo 890nm aluminio (AlGaAs) Arseniuro fosfuro de Rojo, naranja y 630nm galio (GaAsP) amarillo Fosfuro de galio (GaP) Verde 555nm Nitruro de galio (GaN) Verde 525nm Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul Nitruro de galio e indio Azul 450nm (InGaN) Carburo de silicio (SiC) Azul 480nm Diamante (C) Ultravioleta Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  30. 30. LEDS Menos dopado p  suficiente fino para que los fotones producidos puedan escapar sin ser reabsorbidosIntroducciónFotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED Contacto metálico Emisión de luz Óxido + - Capa n Capa p Sustrato n Microelectrónica – LEDS Dispositivos fotónicos
  31. 31. LOS LEDS - 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 losIntroducción h+ provocando la emisión de fotonesFotoconductoresFotodiodosCélulas solares N+ P PLED AlGaAs AlGaAs AlGaAs Microelectrónica – LEDS Dispositivos fotónicos
  32. 32. LOS LEDS -Tienen diferente tipo de electroluminiscencia que los leds - No necesitan un material de alta calidadIntroducción - Formados por:FotoconductoresFotodiodos -Semiconductor policristalino de banda anchaCélulas solares - Dopado con un ión que actúa como centro luminiscenteLED - 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 Microelectrónica – LEDS Dispositivos fotónicos
  33. 33. LED’S BLANCOS vs LED’S RGB LED blanco. LED azul cubierto de fósforo  convierte parte de la luz azul en luz amarilla. Este espectro combinado se percibe como luz blanca.IntroducciónFotoconductores LED RGB consta de 4 patillas: el colector común, el color rojo (Red),Fotodiodos el verde (Green) y el azul (Blue). Cambia el color en función de laCélulas solaresLED intensidad. Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  34. 34. LED’S BLANCOS vs LED’S RGB 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 CCFLIntroducción (cold-cathode fluorescent lamp)FotoconductoresFotodiodosCélulas solaresLED Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
  35. 35. LED’S BLANCOS vs LED’S RGB LED blanco. • Reproduce hasta un 70% de la gama de colores del NTSC en un LCD.Introducción • Picos en el espectro de color  no ideal para laFotoconductores reproducción fotográfica.FotodiodosCélulas solares • Más sencillos de manejar.LED 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 Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

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