Föreläsning 6: Opto-komponenter Interaktion ljus - halvledare Fotoledare Fotodiod / Solcell Lysdiod Halvledarlaser Dan Flavin 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer Nästa vecka! Ganska enkel om man har koll på pn-övergången Ganska svår annars.. Kan vara en idé att ligga lite i fas. pn-övergång: kapacitanser Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar MOSFET: laddningar 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 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 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? 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 Opto-komponenter Sändare Mottagare Driv- krets Laser- diod Foto- För- stärkare Signal- formare Optisk fiber Insignal Utsignal Insignal Utsignal 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Absorbation av fotoner Hur beskriver vi ljus? Hur interagerar en foton med en halvledare? Ljuskänslig resistor? 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Absorbation av fotoner Ljus – fotoner med en våglängd l l=1.1 µm - IR l=1.9 µm 3.1 eV 1.8 eV 1.12 eV 0.67 eV Efot > Eg Efot = Eg Efot < Eg Ec Ev 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 2 minuter funderare UV-ljus på Si: Vad händer om fotoner med Efot = 3.1 eV träffar Si (Eg=1.12eV) Ljus på Metall: Vad händer om fotoner med Efot = 1.0 eV träffar Al ? Efot > Eg Ev Ec Ev 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Varför är vissa material genomskinliga? THz – (mm-wave) – de flesta material är genomskinliga.. Kisel i synligt ljus Kisel i IR – genomskinligt! Fönsterglas – SiO2 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Fotoledare - Fotomotstånd EC Efot > Eg EV I 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 U

Fotoledare – enkel ljuskänslig resistor + Enkel och billig + Fungerar i båda ”riktningarna” Relativt långsam Kräver biasering Tid innan hål/elektroner har rekombinerat! t dn 10+ mS för Si Tid (s) Ljus av Ljus på 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Absorbation av fotoner Hur beskriver vi ljus? Hur interagerar en foton med en halvledare? Ljuskänslig resistor? 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Pn-övergångar och ljus Fotodioden – snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 Fotodiod – pn övergång e P+ RLO Wn EFp A N -eVa EFn I Wn t 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Föreläsning 6, Komponentfysik 2013 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) 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Färgkänsliga fotodioder – normal Si diod + bandpassfilter! Transmission Våglängd l, (nm) ”Billiga” bandpassfilter – släpper igenom Infrarött ljus 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Solcell – ingen yttre pålaggd spänning RLO Wn A N EFn Wn A 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Föreläsning 6, Komponentfysik 2012 Solcell Ifot RL Fotoströmmen – genererar elektrisk effekt Omvandlar ljusenergi till elektrisk energi Ifot – direkt proportionell mot ljusintensiteten Framtida storskalig energipriduktion? Verkningsgrad: 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2012

Varför har en Si-solscell max ~ 30% effektivitet? Efot > Eg Efot < Eg 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Multi-junction 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!) 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Solceller - Verkningsgrader 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Pn-övergångar för optokomponenter Fotodioden – snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Lysdioder – Light Emitting Diode (LED) Omvandlar elektrisk energi till ljusenergi Belysning Enkla optiska sändare Olika färger / våglängder möjliga 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 Rekombination - ljus Om n∙p > ni Extra elektroner/hål kan rekombinera med varandra Material med få defekter och direkt bandgap: Energin omvandlas till ljus Efot = Eg Våglängden sätts av bandgapet! Kisel har inte ett direkt bandgap – rekombination värmer upp materialet istället EC EV 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Lysdioder – Light Emitting Diode Framspänd pn-övergång Mycket laddningar i utarmningsområdet Rekombination – n,p >> ni EFn eVa Ua -dn dp 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

Lysdioder – Våglängder och Färger Bandgap [eV] Atomavstånd [Å] 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 Vanliga lysdioder: Vit AlGaN (+YAG) Blå GaN Grön GaInN Orange GaInAlP GaAsP Röd AlGaAs IR GaAs Si – inget ljus! Eg=3.1 eV Eg=1.6 eV 2018-12-27 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

Lysdioder – Solid State Lightning Lumens/watt LED för inhusbelysning! 7W LED = 60W Glödlampa 240:- 189:- 144:- 70:- Hög verkningsgrad Lång livstid Inget kvicksilver 2018-12-27 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 “Vanlig” lysdiod Ökande drivspänning 1mm Reflektor Ben Diod 2018-12-27 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

Föreläsning 5, Komponentfysik 2014 Halvledarlaser Laser – populationsinversion: np>>ni Stimulerad emission – en inkommande foton får en elektron att rekombinera – skapar en kopia av sig själv EFn P N EFp -dn dp Semi-transparanta speglar 2018-12-27 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

Pn-övergångar för optokomponenter Fotodioden – snabb detektor Solcell Lysdiod/halvledarlaser 2018-12-27 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

Föreläsning 5, Komponentfysik 2013 Sammanfattning l: ljusvåglängd (nm) F: fotonflöde (m-2) a: absorbationskoefficient (m-1) Efot: Fotonenergi (eV) 2018-12-27 Föreläsning 5, Komponentfysik 2013