Föreläsning 6: Opto-komponenter Opto-komponent Interaktion ljus - halvledare Fotoledare Fotodiod / Solcell Lysdiod Halvledarlaser 1
Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Optokomponenter pn-övergång: strömmar Minnen: Flash, DRAM MOSFET: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2
Opto-komponenter En opto-komponent Omvandlar ljus till en elektrisk signal eller Omvandlar en elektrisk signal till ljus Hur interagerar en foton med en halvledare? Hur kan ett elektron-hål par generera fotoner? 3
Opto-komponenter Insignal Drivkrets Sändare Laserdiod Optisk fiber Fotodiod Förstärkare Signalformare Utsignal Mottagare Insignal Utsignal 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2011 4
Transparenta material? Kisel (Si) wafer Germanium (Ge) lins Diamant Fönsterglas SiO 2 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 5
Absorbation av fotoner Ljus fotoner med en våglängd l E fot hc l E fot ( ev ) 1240 l( nm) l=1.1 µm - IR l=1.9 µm 3.1 ev 1.8 ev 1.12 ev 0.67 ev E fot > E g E fot = E g E fot < E g E c E v 6
Fotoledare - Fotomotstånd E C E fot > E g E V I 7 U
2 minuters övning - fotomotstånd En bra fotoledare ska ha stor skillnad mellan R ljus och R mörker. Ska halvledarens dopning vara hög eller låg? Ska halvledaren vara tunn eller tjock? 8
Fotoledare enkel ljuskänslig resistor + Enkel och billig + Fungerar i båda riktningarna - Relativt långsam dn - Kräver biasering t 10+ ms för Si Tid (s) 9
Fotodiod pn övergång e P + W n RLO E Fp N A -ev a E Fn I t 10 W n
Fotodiod + Snabb! + Inbyggda e-fältet separerar elektroner/hål + Känslig - mer komplicerad än ett motstånd di 20 ps Stig/falltider på ps skala Hur snabbt elektroner / hål kommer ut ur RLO Tid (s) 11
Färgkänsliga fotodioder normal Si diod + bandpassfilter! Transmission Billiga bandpassfilter släpper igenom Infrarött ljus Våglängd l, (nm) 12
Solcell ingen yttre pålaggd spänning e P + W n RLO N A E Fn 13 W n A
Fotodiod / Solcell Bara fotoner som absorberas i RLO ger upphov till en ström! P+ E fot > E g RLO N Bara fotoner med E fot > E g ger upphov till en ström! 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 14
Fotodiod / Solcell En pn-övergång kan omvandla ljus till elektrisk energi Det inbyggda fältet separerar genererade laddningar P+ Laddningar utanför RLO rekombinerar, ger ingen ström Tjock RLO (d n +d p ) stor volym för absorbation Lågdopat material på ena sidan (ex p + n) Tunt p+ området på toppen liten förlust av fotoner Bara fotoner med E fot > E g kan absorberas! RLO N 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 15
Solcell 0.3 I fot 0.2 R L Fotoströmmen genererar elektrisk effekt Current (ma) 0.1 0-0.1 Omvandlar ljusenergi till elektrisk energi I fot direkt proportionell mot ljusintensiteten Framtida storskalig energipriduktion? -0.2-0.3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Voltage (V) Verkningsgrad: P P 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 16 fot el
Solceller - Verkningsgrader III-V 40+ % Kisel/ Tunnfilm 28% 17
Varför har en Si-solscell max 28% effektivitet? E fot > E g E fot < E g 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2011 18
Multi-junction solcell 44% verkningsgrad Minskande E fot E fot > E g E fot > E g E fot > E g E fot > E g E fot > E g GaInP InGaAs Ge Hög verkningsgrad men komplicerat (och dyrt!) E fot > E g 19
Lysdioder Light Emitting Diode (LED) Omvandlar elektrisk energi till ljusenergi Belysning Enkla optiska sändare Olika färger / våglängder möjliga 20
Rekombination - ljus E C Om n p > n i Extra elektroner/hål kan rekombinera med varandra Material med få defekter och direkt bandgap: Energin omvandlas till ljus E fot = E g Våglängden sätts av bandgapet! E V Kisel har inte ett direkt bandgap rekombination värmer upp materialet istället 21
Lysdioder Light Emitting Diode Framspänd pn-övergång Mycket laddningar i utarmningsområdet Rekombination n,p >> n i E Fn ev a U a E fot hc l E fot ( ev ) 1240 l( nm) -d n d p l 1240 E g ( ev ) 2013-04-15 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 22
Bandgap [ev] Lysdioder Våglängder och Färger 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 Vanliga lysdioder: Atomavstånd [Å] Vit Blå Grön Orange Röd IR Si inget ljus! AlGaN (+YAG) GaN GaInN GaInAlP GaAsP AlGaAs GaAs E g =3.1 ev E g =1.6 ev 2013-04-15 Föreläsning 5, Komponentfysik 2011 23
Lysdioder Våglängder och Färger LED för inhusbelysning! 7W LED = 60W Glödlampa 240:- 189:- 144:- 50% verkningsgrad Lång livstid Inget kvicksilver 2013-04-15 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013 24
Ben Ben Vanlig lysdiod Ökande drivspänning Diod Reflektor 2013-04-15 1mm Föreläsning 5, Komponentfysik 2013 25
Halvledarlaser Laser populationsinversion: np>>n i E Fn Stimulerad emission en inkommande foton får en elektron att rekombinera skapar en kopia av sig själv P N E Fp -d n d p Semi-transparanta speglar 2013-04-15 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013 26
Sammanfattning l: ljusvåglängd (nm) F: fotonflöde (m -2 ) a: absorbationskoefficient (m -1 ) E fot : Fotonenergi (ev) 2013-04-15 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013 27