Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Dispositivi optoelettronici (1) Sono dispositivi dove giocano un ruolo fondamentale sia le

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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Dispositivi optoelettronici (1)

Sono dispositivi dove giocano un ruolo fondamentalesia le correnti elettriche che i fotoni, le particelle base della radiazione elettromagnetica.

Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate sia daUna lunghezza d’onda che da una frequenza cheSono tra loro in relazione tramite la legge: = c = velocità della luce nel vuoto = 300.000 km/sInoltre i fotoni sono portatori di una energia E = h


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Es. luce verde = 0,5 m E = 2,48 eV


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Dispositivi optoelettronici (3)I fotoni interagiscono con gli elettroni in tre modi:

Assorbimento: un fotone viene assorbito da un elettroneche va dal livello energetico iniziale E1

al livello eccitato E2, con: E2 =E1+h .

Emissione spontanea: l’elettrone che si trova in uno stato eccitato decade dal livello E2 al livelloE1, con E1 = E2 - hn .

Emissione stimolata: un elettrone che si trova in uno stato eccitato, che viene colpito da un fotone può diseccitarsi emettendo un altro fotone.


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Dispositivi optoelettronici (5)Se le popolazioni istantanee (densità di elettroni) dei due livelli sono n1 e n2, all’equilibrio termico, con (E2 – E1) > 3kT n2/n1 = e –h12/(kT)

e in condizioni stazionarie il numero di elettroni chepassano da E1 ad E2 deve essere uguale a quelli passano da E2 ad E1 . In altre parole: tasso di emissione stimolata + tasso di emissione spontanea --------------------------------------tasso di assorbimento


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Dispositivi optoelettronici (6)•Il tasso di emissione spontanea è proporzionale alla popolazione del livello superiore E2.

•Il tasso di emissione stimolata è proporzionale alla popolazione del livello superiore e alla densità di energia luminosa.

•Il tasso di assorbimento è proporzionale alla popolazione del livello inferiore e alla densità di energia luminosa.

A parità di condizioni, per rendere predominante l’emissione stimolata occorre una elevata densità di energia luminosa.


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Assorbimento (1)


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Assorbimento (2)Se il fotone ha una energia uguale a Eg o superiore,all’atto dell’assorbimento si ha una creazione di coppialacuna-elettrone, con l’elettrone che passa nella banda di conduzione.

Se l’energia è superiore, l’elettrone passa nella banda di conduzione e l’energia in eccesso viene dissipatasotto forma di calore.

Se l’energia è inferiore non si ha una transizione, a menoche non esistano livelli disponibili all’interno della bandaproibita.


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Diodi emettitori di luce (1)I diodi emettitori di luce (LED) sono giunzioni p-n in grado di emettere radiazioni nella regione dell’ultravioletto o del visibile o dell’infrarosso.

I LED a luce visibile devono emettere fotoni nellospettro del visibile 0,5 m < < 0,7 m 2,6 eV > energia del fotone > 1,8 eV

La larghezza della banda proibita deve riflettere questi limiti. Giunzioni adatte si ottengono scegliendo opportunamente i materiali: es. arseniuro di gallio.


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Diodi emettitori di luce (2)

La geometria tipica della giunzione è quella planare.

Il meccanismo di funzionamento è abbastanza semplice:Si applica una tensione di polarizzazione diretta allagiunzione p-n che genera così coppie elettrone-lacuna;queste coppie si ricombinano emettendo i fotoni visibili.

Per rendere efficiente il meccanismo occorre che i fotoniemessi siano in quantità sufficiente e che non venganopersi prima di arrivare alla lente di materiale plastico chene permette la visualizzazione.


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Una volta emessi i meccanismi di perdita principali sono:

•Assorbimento all’interno del LED

•Perdite per rifrazione aria-semiconduttore

•Perdite per riflessione totale interna della luce(angoli maggiori dell’angolo critico)

Alcuni effetti si possono minimizzare ad esempio con lascelta di substrati trasparenti e superfici interne riflettenti.


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Una importante applicazione dei diodi all’infrarosso è il disaccoppiamento, tra segnali di ingresso e di uscita.

LED fotodiodo

Segnale diingresso

Segnale diuscita

fotone


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Il meccanismo di funzionamento è il seguente:

Si applica una tensione alla giunzione, si creano coppieelettrone-lacuna che poi si ricombinano dando origine alla emissione dei fotoni.

Questi vengono poi inviati ad un dispositivo ricevente(fotodiodo) che col meccanismo inverso assorbe il fotonee crea una coppia elettrone-lacuna che fornisce i portatoridi carica necessari a produrre la corrente nel circuito diuscita.


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Collegamento a fibre ottiche (1)

Un’altra applicazione è la trasmissione di segnali otticilungo le fibre ottiche.

Infatti uno dei vantaggi è che il segnale si propaga allavelocità della luce nel mezzo trasmissivo.

Una fibra ottica è una guida d’onda per le frequenze ottichecapace di trasportare i segnali anche per molti chilometrisenza degradare l’informazione grazie al fenomeno dellariflessione totale.


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Il segnale di ingressosolitamente è modulato ad alta frequenza percodificare il segnale.


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Laser a semiconduttore (1)

I laser sono dispositivi che sfruttano l’emissione stimolatadi radiazione per produrre radiazione con le seguenti caratteristiche:

praticamente monocromatica (energia ben definita frequenze ben definite)

altamente direzionale (piccolissima divergenzaangolare del fascio).


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Laser a semiconduttore (2)I laser a semiconduttore presentano inoltre le seguenti caratteristiche:

Dimensioni molto ridotte (0,1 m di lunghezza)

Estrema facilità di modulazione tramite la correntedi polarizzazione.

I campi di applicazione: comunicazione su fibra ottica, registrazione video, letturaottica, stampa ad alta velocità, spettroscopia a gas.


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Laser a semiconduttore (3)Meccanismo diinversione di popolazione


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Fotorivelatori (1)I fotorivelatori sono dispositivi che convertonoradiazione luminosa in segnali elettrici.

Il meccanismo di funzionamento è divisibile in:

Generazione di portatori di carica da parte della luce

Trasporto e/o amplificazione dei portatori

Interazione della corrente col circuito esterno pergenerare il segnale elettrico in uscita.


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Fotorivelatori (2)

Fotoconduttore


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Fotodiodi (1)Un fotodiodo è una giunzione p-n polarizzata inversa.

Quando i fotoni incidono sul fotodiodo si generano coppieelettrone lacuna che vengono separate e generano correntenel loro moto di allontamnamento dalla regione di svuotamento.

I fotodiodi devono essere sottili per poter funzionare adalta velocità, e contemporaneamente devono essere abbastanza spessi per permettere un sufficiente assorbimento di fotoni.


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Fotodiodi (2)

Fotodiodo


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Fotodiodi (3)Un particolare tipo di fotodiodo è il fotodiodo a valanga.

Il principio di funzionamento è lievemente diverso daifotodiodi precedenti perché la tensione di polarizzazioneè sufficientemente alta da provocare, a partire da pochiportatori, l’effetto della moltiplicazione a valanga,amplificando così la corrente che si ottiene.

Vantaggio: usabile per rivelare deboli segnali.Svantaggio: occorre ridurre al minimo la possibilità

di generare segnali accidentali.


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Celle solari

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