Föreläsning 6: Opto-komponenter

En presentation över ämnet: "Föreläsning 6: Opto-komponenter"— Presentationens avskrift:

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

2 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 Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

3 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? Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

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

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

6 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 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

7 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 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

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

9 Fotoledare - Fotomotstånd
EC Efot > Eg EV I Föreläsning 6, Komponentfysik 2014 U

10 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 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

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

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

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

14 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) Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

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

16 Solcell – ingen yttre pålaggd spänning
RLO Wn A N EFn Wn A Föreläsning 6, Komponentfysik 2013

17 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: Föreläsning 6, Komponentfysik 2012

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

19 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!) Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

20 Solceller - Verkningsgrader
Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

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

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

23 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 Föreläsning 6, Komponentfysik 2014

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

25 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 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

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

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

28 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 Föreläsning 5, Komponentfysik 2014

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

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