Föreläsning 6: Opto-komponenter



Relevanta dokument
Föreläsning 6: Opto-komponenter

Föreläsning 13: Opto- komponenter

Föreläsning 2 - Halvledare

Föreläsning 2 - Halvledare

Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar

Föreläsning 11 Fälteffekttransistor II

Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Föreläsning 13 Fälteffekttransistor III

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Varför Komponentfysik? Hålltider --- Ellära, Elektriska fält och potentialer

Laboration: Optokomponenter

Physics to Go! Part 1. 2:a på Android

Halvledare. Periodiska systemet (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker)

Välkomna till kursen i elektroniska material! Martin Leijnse

Välkomna till kursen i elektroniska material!

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

Vad är elektricitet?

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Introduktion till halvledarteknik

Tentamen i Komponentfysik ESS030, ETI240/0601 och FFF090

Halogenlampa Spektrometer Optisk fiber Laserdiod och UV- lysdiod (ficklampa)

Föreläsning 8 Bipolära Transistorer I

Föreläsning 8 Bipolära Transistorer I

Elektronik. Lars-Erik Cederlöf

Elektronik 2018 EITA35

Formelsamling för komponentfysik

Optokomponenter Laborationshandledning

Formelsamling för komponentfysik. eller I = G U = σ A U L Småsignalresistans: R = du di. där: σ = 1 ρ ; = N D + p n 0

Miljöfysik vt2009. Mikael Syväjärvi, IFM

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

Tentamen i komponentfysik

Utredande uppgifter. 2: Räkna ut utsträckningen av rymdladdningsområdet i de tre fallen i 1 för n-sidan, p-sidan och den totala utsträckningen.

Materialfysik vt Materiens optiska egenskaper. [Callister, etc.]

2: Räkna ut utsträckningen av rymdladdningsområdet i de två fallen i 1 för n-sidan, p-sidan och den totala utsträckningen.

Vad är elektricitet?

SPEKTROSKOPI (1) Elektromagnetisk strålning. Synligt ljus. Kemisk mätteknik CSL Analytisk kemi, KTH. Ljus - en vågrörelse

Kvantfysik i praktiken lysdioder och laserdioder

Lablokalerna är i samma korridor som där ni gjorde lab1.

Optiska och elektriska egenskaper hos pn-övergången

10.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism

10.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism Materialfysik vt Materiens optiska egenskaper. Det elektromagnetiska spektret

BANDGAP Inledning

Optiska och elektriska egenskaper hos pn-övergången

Ett materials förmåga att leda elektrisk ström beror på två förutsättningar:

Instruktion elektronikkrets till vindkraftverk

Elektronik 2015 ESS010

Föredrag av Tor Paulin för kursen seminarier på svenska 2009 LYSDIODER: TEKNOLOGI OCH FRAMTIDSUTSIKTER

Optiska och elektriska egenskaper hos pn- övergången

Beskrivning elektronikkrets NOT vatten

BANDGAP Inledning

När man förklarar experiment för andra finns det en bra sekvens att följa:

Lösningar Tenta

När man förklarar experiment för andra finns det en bra sekvens att följa:

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Kvantbrunnar Kvantiserade energier och tillstånd

LED lamper for UV-lys. Labino AB Magnus Karlsson Teknisk Chef Maj 2011

Extra övningsuppgifter

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

Introduktion till halvledarteknik

Med ett materials elektriska egenskaper förstår man helt allmänt dess ledningsförmåga, konduktans, och resistans Ohms lag:

Allmänt Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur. l A Allmänt. 8.1.

Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur

Varför förbrukar ersätta glödlampor?

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

Beskrivande uppgifter: I: Vad skiljer det linjära området och mättnadsområdet i termer av inversionskanal?

Elektronik 2017 EITA35

3.8. Halvledare. [Understanding Physics: ] Den moderna fysikens grunder, Tom Sundius

Laboration: pn-övergången

Ljuskällor. För att vi ska kunna se något måste det finnas en ljuskälla

Laboration: Optokomponenter


Övningsuppgifter i Elektronik

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

1. (a) (1 poäng) Rita i figuren en translationsvektor T som överför mönstret på sig själv.

I: Beskriv strömmarna i en npn-transistor i normal mod i de neutrala delarna av transistorn.

Fotoelektriska effekten

FysikaktuelltNR 4 NOV 2014

Föreläsning 7 Fälteffek1ransistor IV

Blått ljus, GaN, och varför priset inte kom till Finland Nobelpriset i fysik Kai Nordlund

8-10 Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss

Föreläsning 11 Bipolära Transistorer I. BJT Bipolar JuncDon Transistor. FunkDon bipolär transistor. DC operadon, strömförstärkning

TSTE20 Elektronik 01/31/ :24. Nodanalys metod. Nodanalys, exempel. Dagens föreläsning. 0. Förenkla schemat 1. Eliminera ensamma spänningskällor

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

Föreläsning 12 Bipolära Transistorer II. Funk<on bipolär transistor

Miljöfysik. Föreläsning 6. Solel Solcellsanläggningar Halvledare En pn-övergång I-U karakteristik för solceller

Om inget annat anges så gäller det kisel och rumstemperatur (300K)

Om inget annat anges så gäller det kisel och rumstemperatur (300K)

FFY616. Halvledarteknik. Laboration 4 DIODER

Utredande uppgifter: I: Beskriv de fyra arbetsmoderna för en npn-transistor. II: Vad är orsaken till strömförstärkningen i normal mod?

FlyBot. Copyright Sagitta Pedagog AB

Emtithal Majeed, Örbyhus skola, Örbyhus

Mats Areskoug. Solceller. Sveriges största solcellsanläggning på Ikea i Älmhult.

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Laboration II Elektronik

Q I t. Ellära 2 Elektrisk ström, kap 23. Eleonora Lorek. Ström. Ström är flöde av laddade partiklar.

Nanoelektronik. FAFA10 Kvantfenomen och nanostrukturer HT Martin Magnusson.

4:7 Dioden och likriktning.

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

nmosfet och analoga kretsar

Föreläsning 5 pn-övergången II: Spänning&ström

Transkript:

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