Föreläsning 13: Opto-­‐komponenter • Opto-­‐komponent • Interak?on ljus -­‐ halvledare • Fotoledare • Fotodiod / Solcell • Lysdiod • Halvledarlaser • CCD/CMOS 16-­‐05-­‐02 Dan Flavin Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 1 Opto-­‐komponenter En opto-­‐komponent • Omvandlar ljus ?ll en elektrisk signal eller • Omvandlar en elektrisk signal ?ll ljus 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 2 Opto-­‐komponenter Sändare
Insignal
Driv-­‐ krets Laser-­‐ diod Op?sk fiber Foto-­‐ diod För-­‐ stärkare Signal-­‐ formare Utsignal
Mottagare
Insignal
16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 Utsignal
3 Absorp8on av fotoner Ljus – fotoner med en våglängd λ
3.1 eV Efot = Eg 1.8 eV Efot < Eg E fot =
hc
λ
E fot (eV ) =
1240
λ (nm)
λ=1.1 µm -­‐ IR λ=1.9 µm Si Ge 1.12 eV 0.67 eV Efot > Eg Ec Ev 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 4 Halvledare
16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 5 Halvledare"
för optokomponenter
II III IV V VI 5
B
6
C
7
N
8
O
• Grupp IV: Si, Ge
Detektorer, CCD, solceller, indirekt bandgap
2 • Grupp III-V: GaP, GaAs, InGaAsP…
LED, lasrar, detektorer
3 12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
4 30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
5 48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
6 80
Hg
• Grupp III-N: GaN, InGaN…
Blå (& vita) LED, UV lasrar
• Grupp II-VI: HgCdTe…
IR-kameror
82
Pb
Periodiska systemet (åtminstone den del som är vik?g för en halvledarfysiker) 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 6 10
EC Absorp?on Ljusabsorption
EC 1L...----l...--l...--'--'--'-'-............-"--....I...I....----'--..............................
0.1
0.01
1.0
10.0
Photon energy hv (eV)
EV 300 0 K. The bandgap energy Egis
1.12 eV for Si and 1.42 eV for GaAs.
Silicon is relatively transparent in the
1.1 to 12 /-Lm, whereas inband Ao
trinsic GaAs is relatively transparent
0.87 to 12 /-Lm (see
in the band Ao
Fig. 5.5-1).
EV Wavelength Ao (p,m)
10 54 3
2
1.5
1.00.9 0.8
0.7
0.6
0.5
0.3
0.4
InP
10L..--....I......---L..-----l...-----L.._ _.l...--..I...--..I...--1........L..o
0.5
1.0
1.5
..L..----L_---I-
2.0
2.5
..I...--_-----'----L..-
3.0
3.5
...L--_ _----'
4.5
4.0
Photon energy hv (eV)
Teich: Fundamentals of photonics, Wiley Figure 16.2-3 Absorption
coefficient versus photon energy Saleh, and wavelength
for Ge,
Si, GaAs,
GaN
Kisels Galliumnitrids 0
semiconductors at T = 300 K, on an expanded
and selected other III-V binary
bandgap
bandgapscale.
16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 B. Band-to-Band Transitions in Bulk Semiconductors
7 Många material är genomskinliga – fast för olika våglängder Kisel i IR – genomskinligt! THz – (mm-­‐wave) – de flesta material är genomskinliga.. Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 8 Fönsterglas – SiO2 Kisel i synligt ljus 16-­‐05-­‐02 Fotoledare -­‐ Fotomotstånd EC Efot > Eg EV I 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 U 9 Fotoledare – enkel ljuskänslig resistor + Enkel och billig + Fungerar i båda ”riktningarna” -­‐ Rela?vt långsam Tid innan hål/
elektroner har -­‐ Kräver biasering rekombinerat! τ
δn > 10 ms för Si Tid (s) Ljus på 16-­‐05-­‐02 Ljus av Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 10 Pn-­‐övergångar och ljus Fotodioden – snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 11 Fotodiod – pn övergång ε
P+ RLO Wn EFp A N -­‐eVa EFn I Wn t 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 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) 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 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 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 14 Färgkänsliga fotodioder – normal Si diod + bandpassfilter! Transmission ”Billiga” bandpassfilter – släpper igenom Infraröm ljus 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 Våglängd λ, (nm) 15 Solcell – ingen yKre pålagd spänning ε
P+ RLO Wn N A EFn Wn 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 A 16 Solcell 0.3
Ifot RL • Fotoströmmen – genererar elektrisk effekt • Omvandlar ljusenergi ?ll elektrisk energi • Ifot – direkt propor?onell mot ljusintensiteten Fram%da storskalig energipriduk%on? 16-­‐05-­‐02 Current (mA)
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
0
0.2
0.4
0.6
Voltage (V)
0.8
Verkningsgrad: Pel
=η
Pfot
Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 17 Varför har en Si-­‐solscell max ~ 30% effek8vitet? Efot > Eg Efot < Eg 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 18 Mul8-­‐junc8on solcell – 44+% verkningsgrad Minskande Efot Efot > Eg Efot > Eg Efot > Eg Efot > Eg Efot > Eg Efot > Eg GaInP InGaAs Ge Hög verkningsgrad – men komplicerat (och dyrt!) 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 19 Solceller -­‐ Verkningsgrader 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 20 Pn-­‐övergångar för optokomponenter Fotodioden – snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 21 Lysdioder – Light EmiWng Diode (LED) Omvandlar elektrisk energi ?ll ljusenergi Belysning Enkla op?ska sändare Olika färger / våglängder möjliga 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 22 Rekombina8on -­‐ ljus EC EV 16-­‐05-­‐02 Om n·∙p > ni Extra elektroner/hål kan rekombinera med varandra Material med få defekter och direkt bandgap: Energin omvandlas ?ll ljus Efot = Eg Våglängden sä>s av bandgapet! Kisel har inte eK direkt bandgap – rekombina8on värmer upp materialet istället Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 23 Lysdioder – Light EmiWng Diode • Framspänd pn-­‐övergång • Mycket laddningar i utarmningsområdet • Rekombina?on – n,p >> ni EFn eVa Ua E fot =
-­‐dn λ
E fot (eV ) =
1240
λ (nm)
dp λ=
16-­‐05-­‐02 hc
1240
Eg (eV )
Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 24 Lysdioder – Våglängder och Färger Bandgap [eV]
0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 •
Atomavstånd [Å]
Vanliga
Vit Blå Grön Orange Röd IR lysdioder:
AlGaN (+lyspulver) GaN GaInN GaInAlP GaAsP AlGaAs GaAs Si – inget ljus! Eg=3.1 eV 16-­‐05-­‐02 Eg=1.6 eV Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 25 GaN (Eg = 3,4 eV) Lysdioder – Våglängder och Färger Bandgap [eV]
0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 •
Atomavstånd [Å]
Vanliga
Vit Blå Grön Orange Röd IR lysdioder:
AlGaN (+lyspulver) GaN GaInN GaInAlP GaAsP AlGaAs GaAs Si – inget ljus! Eg=3.1 eV 16-­‐05-­‐02 Eg=1.6 eV Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 26 “Vanlig” lysdiod Ökande drivspänning Diod 16-­‐05-­‐02 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 16-­‐05-­‐02 1mm Ben Ben Reflektor Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 28 h?p://bobbymercerbooks.com Hur fungerar vita lysdioder? ljus mha elektricitet • Blå lysdiod gör blåm 85% Efficiencies • Lyspulver gör om en del blåm ljus ?ll grönt, gult och röm Lyspulver 43% 0.7A Blå lysdiod 56% 1 mm Thin-­‐Film Flip Chip (TFFC) schema%c courtesy of Jon Wierer 300
16-­‐05-­‐02 400
500
Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 600
700
Våglängd/nm
800
900
1000
29 Nobelpriset i fysik 2014 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 30 h?p://bobbymercerbooks.com Varför bara 20% effek?vitet? 85% Efficiencies Lyspulver 43% 0.7A 1 mm Thin-­‐Film Flip Chip (TFFC) schema%c courtesy of Jon Wierer 16-­‐05-­‐02 Blå lysdiod 56% 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 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! Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 31 Lumens/wam Lysdioder – Solid State Ligh8ng LED för belysning! 7W LED = 60W Glödlampa 240:-­‐ 189:-­‐ 144:-­‐ 70:-­‐ 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 • Hög verkningsgrad • Lång livs%d • Inget kvicksilver 32 S?mulerad emission Absorp?on EC EV EC EV EC Bandgap Eg S?mulerad emission EC EV EC EV Ledningsband med elektroner EV Valensband med hål Spontan emission EC EV EC 16-­‐05-­‐02 EV Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 33 Halvledarlaser • Laser – popula8onsinversion: np>>ni • S8mulerad emission – en inkommande foton får en elektron aK rekombinera – skapar en kopia av sig själv P N EFn EFp -­‐dn 16-­‐05-­‐02 dp Semi-­‐transparanta speglar Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 34 S?mulerad emission EC EC EV EV Diodlaser
EC S?mulerad emission (laser) kräver: -­‐ Många elektroner och hål => stor ström -­‐ Mycket ljus => speglar (men klyvd yta räcker osa) EV I V 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 www.newport.com 35 Pn-­‐övergångar för optokomponenter Fotodioden – snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 36 Djup utarmning (deep deple8on) – grunden för CCD-­‐kameran Om gatespänningen VG > Vth 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. 16-­‐05-­‐02 (I en MOSFET uppstår inversions-­‐
kanalen mycket snabbt då elektronerna i stället kommer från Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 source och drain) 37 CCD – Charge Coupled Device Genom am lägga flera kondensatorer in?ll varandra och variera gate-­‐spänningarna synkroniserat kan elektronerna flymas. 16-­‐05-­‐02 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) EC EV C U 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 39 SammanfaKning λ: ljusvåglängd (nm) Φ: fotonflöde (m-­‐2) α: absorpConskoefficient (m-­‐1) Efot: Fotonenergi (eV) 16-­‐05-­‐02 Föreläsning 13, Komponen8ysik 2016 40
