Föreläsning 13: Opto- komponenter

Föreläsning 13: Opto- komponenter Opto- komponent Interak?on ljus - halvledare Fotoledare Fotodiod / Solcell Lysdiod Halvledarlaser CCD/CMOS Dan Flavin 1

Opto- komponenter En opto- komponent Omvandlar ljus?ll en elektrisk signal eller Omvandlar en elektrisk signal?ll ljus 2

Opto- komponenter Insignal Driv- krets Sändare Laser- diod Op?sk fiber Foto- diod För- stärkare Signal- formare Utsignal Mottagare Insignal Utsignal 3

Absorp8on av fotoner Ljus fotoner med en våglängd λ E fot = hc λ E fot ( ev ) = 1240 λ( nm) λ=1.1 µm - IR λ=1.9 µm 3.1 ev 1.8 ev 1.12 ev Si Ge 0.67 ev E fot > E g E fot = E g E fot < E g E c E v 4

Halvledare 5

Halvledare" för optokomponenter II III IV V VI Grupp IV: Si, Ge Detektorer, CCD, solceller, indirekt bandgap Grupp III-V: GaP, GaAs, InGaAsP LED, lasrar, detektorer Grupp III-N: GaN, InGaN Blå (& vita) LED, UV lasrar Grupp II-VI: HgCdTe IR-kameror 2 3 4 5 6 12 Mg 30 Zn 48 Cd 80 Hg 5 B 13 Al 31 Ga 49 In 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 7 N 15 P 33 As 51 Sb 8 O 16 S 34 Se 52 Te Periodiska systemet (åtminstone den del som är vik?g för en halvledarfysiker) 6

E C E V 10 E C 0.1 1.0 Photon energy hv (ev) E V 1L...----l...--l...--'--'--'-'-...-"--...I...I...----'--... 0.01 Absorp?on 300 0 K. The bandgap energy Egis 1.12 ev for Si and 1.42 ev for GaAs. Silicon is relatively transparent in the band A o 1.1 to 12 /-Lm, whereas intrinsic GaAs is relatively transparent 0.87 to 12 /-Lm (see Fig. 5.5-1). Ljusabsorption 10.0 in the band A o 10 54 3 2 1.5 Wavelength Ao (p,m) 1.00.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 InP 10L..--...I...---L..-----l...-----L...l...--..I...--..I...--1...L..-..L..----L_---I-..I...--_-----'----L..-...L-- ----' o 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Photon energy hv (ev) Figure 16.2-3 Absorption Kisels coefficient versus photon energy Saleh, and wavelength Teich: Galliumnitrids Fundamentals for Ge, of photonics, Si, GaAs, Wiley GaN and selected other III-V binary bandgap semiconductors at T = 300 0 K, on an expanded bandgapscale. 7 B. Band-to-Band Transitions in Bulk Semiconductors

Många material är genomskinliga fast för olika våglängder Kisel i synligt ljus Kisel i IR genomskinligt! THz (mm- wave) de flesta material är genomskinliga.. Fönsterglas SiO 2 8

Fotoledare - Fotomotstånd E C E fot > E g E V I U 9

Fotoledare enkel ljuskänslig resistor + Enkel och billig + Fungerar i båda riktningarna δn - Rela?vt långsam - Kräver biasering τ Tid innan hål/ elektroner har rekombinerat! > 10 ms för Si Ljus på Ljus av Tid (s) 10

Pn- övergångar och ljus Fotodioden snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 11

Fotodiod pn övergång ε P + W n RLO E Fp N A - ev a E Fn I W n t 12

Fotodiod + Snabb! + Inbyggda e- fältet separerar elektroner/hål + Känslig - mer komplicerad än em motstånd δi 20 ps S?g/fall?der på ps skala Hur snabbt elektroner / hål kommer ut ur RLO Tid (s) 13

Avalanche photodiode, APD" (fotolavindiod) Converts each detected photon to a cascade of moving carrier pairs Uses a strongly reverse- biased photodiode The large electric field induces impact ioniza8on High speed and internal gain Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 14

Färgkänsliga fotodioder normal Si diod + bandpassfilter! Transmission Billiga bandpassfilter släpper igenom Infraröm ljus Våglängd λ, (nm) 15

Solcell ingen ykre pålagd spänning ε P + W n RLO N A E Fn W n A 16

Solcell 0.3 I fot 0.2 R L Fotoströmmen genererar elektrisk effekt Current (ma) 0.1 0-0.1 Omvandlar ljusenergi?ll elektrisk energi I fot direkt propor?onell mot ljusintensiteten Fram%da storskalig energipriduk%on? -0.2-0.3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Voltage (V) Verkningsgrad: P el = η P fot 17

Varför har en Si- solscell max ~ 30% effek8vitet? E fot > E g E fot < E g 18

Mul8- junc8on 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

Solceller - Verkningsgrader 20

Pn- övergångar för optokomponenter Fotodioden snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 21

Lysdioder Light EmiWng Diode (LED) Omvandlar elektrisk energi?ll ljusenergi Belysning Enkla op?ska sändare Olika färger / våglängder möjliga 22

Rekombina8on - ljus E C Om n p > n i Extra elektroner/hål kan rekombinera med varandra Material med få defekter och direkt bandgap: Energin omvandlas?ll ljus E fot = E g Våglängden sä>s av bandgapet! E V Kisel har inte ek direkt bandgap rekombina8on värmer upp materialet istället 23

Lysdioder Light EmiWng Diode Framspänd pn- övergång Mycket laddningar i utarmningsområdet Rekombina?on n,p >> n i E Fn ev a U a E fot = hc λ E fot ( ev ) = 1240 λ( nm) - d n d p λ = 1240 E g ( ev ) 24

Lysdioder Våglängder och Färger 0,5 Bandgap [ev] Atomavstånd [Å] 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 Vanliga lysdioder: Vit AlGaN (+lyspulver) Blå GaN Grön GaInN Orange GaInAlP GaAsP Röd AlGaAs IR GaAs Si inget ljus! E g =3.1 ev E g =1.6 ev 25

GaN (E g = 3,4 ev) Lysdioder Våglängder och Färger 0,5 Bandgap [ev] Atomavstånd [Å] 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 Vanliga lysdioder: Vit AlGaN (+lyspulver) Blå GaN Grön GaInN Orange GaInAlP GaAsP Röd AlGaAs IR GaAs Si inget ljus! E g =3.1 ev E g =1.6 ev 26

Vanlig lysdiod Ökande drivspänning Diod 1mm Ben Ben Reflektor Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 27

Vanlig lysdiod Halvledare har stort brytningsindex n. Hög reflek?vitet mot lus samt total internreflek?on gör det svårt am få ut ljuset. Diod Reflektor Ben 1mm Ben 28

h?p://bobbymercerbooks.com 85% Hur fungerar vita lysdioder? Efficiencies Blå lysdiod gör blåm ljus mha elektricitet Lyspulver gör om en del blåm ljus?ll grönt, gult och röm Lyspulver 56% 43% 0.7A Blå lysdiod 1 mm Thin- Film Flip Chip (TFFC) schema%c courtesy of Jon Wierer 300 400 500 600 700 800 900 1000 Våglängd/nm 29

Nobelpriset i fysik 2014 30

h?p://bobbymercerbooks.com 85% Varför bara 20% effek?vitet? Efficiencies Lyspulver 43% Elektricitet - > ljus Mer forskning krävs om material & kontakter (Redan idag är 80% möjligt vid låga effekter) 56% Ljus - > ljus (innebär förlust som värme) Ersäm lyspulvret med grön och röd LED 56% 43% 0.7A 1 mm Thin- Film Flip Chip (TFFC) schema%c courtesy of Jon Wierer Blå lysdiod 85% Ljus - > synintryck Op?mera färgerna hos lysdioderna Särskilt grönt kräver mer utveckling I vår forskning använder vi nanotrådar av halvledare för am lösa de här problemen och dessutom billigare! 31

Lysdioder Solid State Ligh8ng Lumens/wam LED för belysning! 7W LED = 60W Glödlampa 240:- 189:- 144:- 70:- Hög verkningsgrad Lång livs%d Inget kvicksilver 32

S?mulerad emission Absorp?on E C E V E C E V S?mulerad emission E C Ledningsband med elektroner Bandgap E g E C E V E C E V Spontan emission E V Valensband med hål E C E C E V E V 33

Halvledarlaser Laser popula8onsinversion: np>>n i E Fn S8mulerad emission en inkommande foton får en elektron ak rekombinera skapar en kopia av sig själv P N E Fp - d n d p Semi- transparanta speglar 34

E C S?mulerad emission E C Diodlaser E V E V E C S?mulerad emission (laser) kräver: - Många elektroner och hål => stor ström - Mycket ljus => speglar (men klyvd yta räcker osa) E V I V Föreläsning www.newport.com 13, Komponen8ysik 2016 35

Pn- övergångar för optokomponenter Fotodioden snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 36

Djup utarmning (deep deple8on) grunden för CCD- kameran Om gatespänningen V G > V th snabbt läggs på gaten i en MOS- kondensator hinner inte inversionsskiktet skapas. Istället hamnar man i sk djup utarmning (deep deplecon) med em extra djupt utarmningsområde (W). Elektronerna kommer så småningom exciteras termiskt från valensbandet men det kan ta sekunder innan termisk jämvikt (och stark inversion) har uppnåms. Dema utnymjas i bildsensorer där man istället låter ljuset excitera elektronerna. (I en MOSFET uppstår inversions- kanalen mycket snabbt då elektronerna i stället kommer från source och drain) 37

CCD Charge Coupled Device Genom am lägga flera kondensatorer in?ll varandra och variera gate- spänningarna synkroniserat kan elektronerna flymas. Föreläsning 7, Komponen8ysik 2016 38

CMOS- kamera Miljontals pixlar med filter för röm, grönt eller blåm Varje pixel har en fotodiod som detekterar ljuset (och em antal transistorer) E C E V C U 39

SammanfaKning λ: ljusvåglängd (nm) Φ: fotonflöde (m - 2 ) α: absorpconskoefficient (m - 1 ) E fot : Fotonenergi (ev) 40