Föreläsning 6: Opto-komponenter Opto-komponent Interaktion ljus - halvledare Fotoledare Fotodiod / Solcell Lysdiod Halvledarlaser Dan Flavin 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 1
Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Optokomponenter pn-övergång: strömmar Nästa vecka! Minnen: Flash, DRAM Ganska enkel om man har koll på pn-övergången MOSFET: strömmar Ganska MOSFET: svår annars.. laddningar Kan vara en idé att ligga lite i fas. 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 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 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? 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 3
Opto-komponenter Insignal Drivkrets Sändare Laserdiod Optisk fiber Fotodiod Förstärkare Signalformare Utsignal Mottagare Insignal Utsignal 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 4
Absorbation av fotoner Hur beskriver vi ljus? Hur interagerar en foton med en halvledare? Ljuskänslig resistor? 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 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 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 6
2 minuter funderare UV-ljus på Si: Vad händer om fotoner med E fot = 3.1 ev träffar Si (E g =1.12eV) Ljus på Metall: Vad händer om fotoner med E fot = 1.0 ev träffar Al? E fot > E g E c E v E v 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 7
Varför är vissa material genomskinliga? Kisel i synligt ljus Kisel i IR genomskinligt! THz (mm-wave) de flesta material är genomskinliga.. Fönsterglas SiO 2 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 8
Fotoledare - Fotomotstånd E C E fot > E g E V I 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 9 U
Fotoledare enkel ljuskänslig resistor + Enkel och billig + Fungerar i båda riktningarna dn - Relativt långsam - Kräver biasering t 10+ ms för Si Tid innan hål/elektroner har rekombinerat! Ljus på Ljus av Tid (s) 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 10
Absorbation av fotoner Hur beskriver vi ljus? Hur interagerar en foton med en halvledare? Ljuskänslig resistor? 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 11
Pn-övergångar och ljus Fotodioden snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 12
Fotodiod pn övergång e P + W n RLO E Fp N A -ev a E Fn I t 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 13 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) 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 14
Färgkänsliga fotodioder normal Si diod + bandpassfilter! Transmission Billiga bandpassfilter släpper igenom Infrarött ljus Våglängd l, (nm) 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 15
Solcell ingen yttre pålaggd spänning e P + W n RLO N A E Fn 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 16 W n A
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 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 17 fot el
Varför har en Si-solscell max ~ 30% effektivitet? E fot > E g E fot < E g 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 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 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 19
Solceller - Verkningsgrader 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 20
Pn-övergångar för optokomponenter Fotodioden snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 21
Lysdioder Light Emitting Diode (LED) Omvandlar elektrisk energi till ljusenergi Belysning Enkla optiska sändare Olika färger / våglängder möjliga 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 22
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 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 23
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 ) 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 24
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 2014-04-02 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 25
Lumens/watt Lysdioder Solid State Lightning LED för inhusbelysning! 7W LED = 60W Glödlampa 240:- 189:- 144:- 70:- Hög verkningsgrad Lång livstid Inget kvicksilver 2014-04-02 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 26
Ben Ben Vanlig lysdiod Ökande drivspänning Diod Reflektor 2014-04-02 1mm Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 27
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 2014-04-02 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 28
Pn-övergångar för optokomponenter Fotodioden snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 2014-04-02 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 29
Sammanfattning l: ljusvåglängd (nm) F: fotonflöde (m -2 ) a: absorbationskoefficient (m -1 ) E fot : Fotonenergi (ev) 2014-04-02 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013 30