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Dispositivos Optoelectrónicos

Dispositivos Optoelectrónicos. Tipos. Fotodetectores: Detectan cambios de energía fotónica, transformándolos en energía eléctrica Celdas solares: Transforman energía lumínica en eléctrica LED / Diodos Laser: Transforman energía eléctrica en energía lumínica Optoacopladores.

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  1. Dispositivos Optoelectrónicos Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  2. Tipos • Fotodetectores: • Detectan cambios de energía fotónica, transformándolos en energía eléctrica • Celdas solares: • Transforman energía lumínica en eléctrica • LED / Diodos Laser: • Transforman energía eléctrica en energía lumínica • Optoacopladores Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  3. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  4. 4.2x1014 Hz 6x1014 Hz Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  5. Fotodiodos p-n • Juntura p-n que permite penetración de luz en la vecindad de la unión metalúrgica • Absorción de luz crea pares hueco-electrón Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  6. Fotodiodos p-n • Portadores generados en la zona de vaciamiento son arrastrados por el E. • Tasa de Generación óptica: GL • Si W menor que la long. Del diodo, IL es independiente de la tensión aplicada y proporcional a la intensidad de luz Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  7. Respuesta espectral • Variación de IL con la longitud de onda de luz incidente Fotones generan pares h-e solo si Eph>EG. Para Si, EG = 1.12 eV, y λmax=1.1μm Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  8. Respuesta espectral • Variación de IL con la longitud de onda de luz incidente • Potencia lumínica es cte. Por ende, hay menos fotones de mayor energía (<λ) • A menor λ la luz penetra menos, y la generación se produce lejos de la zona de vaciamiento: se recombinan antes de llegar allí. Menor I Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  9. Fotodiodos p-n • Respuesta Frecuencial • Velocidad de respuesta ante cambios de la luz incidente • Fotodiodo p-n tiene capacidades limitadas • Portadores minoritarios deben difundir hasta la zona de vaciamiento: proceso lento • Máxima velocidad: decenas de Mhz Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  10. Fotodiodo p-i-n • Top semiconductor thin, to minimize absorption • i region is depleted • Most of the photocurrent is generated in the depletion region Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  11. Fotodiodo p-i-n • i region can be tailored for specific wavelengths • Frequency response is much better than Si diodes (most current is generated in the dep. Region) • Freq. response about GHz • Aplicaciones en fibra óptica requieren λ > 1.1μm, y menores bandgap (In Ga As) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  12. Fotodiodos de Avalancha • Fotodiodos operados cerca del punto de ruptura inversa • Ganancia en la generación de portadores • Multiplicación de avalancha amplifica los portadores provocados por la luz Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  13. Fotodiodos • Factores Importantes • Velocidad de respuesta • Eficiencia cuántica: • relación entre fotones y pares h-e • Linealidad • Uniformidad espacial • Ruido oscuro (dark noise) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  14. Hamamatsu model S2386 silicon photodiode Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  15. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  16. Toshiba TPS850 Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  17. Celdas Solares Honda dream, the winning car in the 1996 World Solar Challenge. The custom made cells for the car are greater than 20% efficient. (Photograph PVSRC) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  18. Celdas Solares • Junturas p-n de gran area • Design to minimize energy losses • Voc: open circuit voltage • Isc: short circuit current • Pmax = Im Vm Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  19. Celdas solares • Medida de desempeño: • eficiencia de conversión • Output from the sun • Area beyond λG is power lost cause it cannot be absorbed • 20% lost in Si, 35% in GaAs • The Eph>Eg energy adds kinetic energy (heat): • 40% in Si, 30% in GaAs Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  20. Celdas Solares Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  21. Celdas Solares • Top contact coverage of the cell surface can be minimised (although this may result in increased series resistance). • Anti-reflection coatings on the top surface of the cell. • Reflection reduced by surface texturing. • The solar cell can be made thicker to increase absorption • The optical path length may be increased by a combination of surface texturing and light trapping. http://www.udel.edu/igert/pvcdrom/index.html Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  22. Celdas Solares Area: 22cm2Efficiency: 23.5%Voc: 703 mVIsc: 914mAJsc: 41.3mAVmp: 600mVFF: 0.81Imp: 868 mA Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  23. Light Emitting Diode (LED) Definition: a semiconductor device that emits incoherent narrow-spectrum light when electrically biased in the forward direction Courtesy of Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/LED Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  24. Principle • Forward bias injects majority carriers in opposite regions where they recombine • In indirect semiconductor (Si) recombination produces heat • In direct semiconductors (GaAs) recombination occurs from band to band and emits photons Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  25. Principle • Three requirements to produce visible LED • Direct semiconductor (Si, Ge, GaP, AlAs,SiC, excluded) • Bandgap between 1.77eV and 3.10eV (GaAs bandgap too small) • Able to allow pn junction diodes • Need for alloys Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  26. LED’s η = Photo power out/electrical power External quantum efficiency: is due to reflections in the Interface air-semiconductor Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  27. Light Emitting Diode (LED) • LED v.s. Incandescent (Edison’s lightbulb) and Flourescent Bulbs • Much longer life span (105 - 106 hrs v.s. 103 / 104 hrs) • Suitable for applications that are subject to frequent on-off cycling • Efficiency: better than incandescent but currently worse than flourescent bulbs Source: US Department of Energy http://www.netl.doe.gov/ssl/faqs.htm Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  28. LEDs for lighting • 12 Volt MR16 LED spotlight bulbs • Each LED spotlight has 20 ultrabright 15,000mcd LEDs producing a similar amount of light to a 20W halogen bulb • 1 Watt of power! Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  29. LED Efficiency • Internal Quantum Efficiency (ηint) • Definition: ratio of the number of electrons flowing in the external circuit to the number of photons produced within the device • Has been improved up to 80% • External Quantum Efficiency • Definition: The percentage of photons that can be extracted to the ambient. • Typically 1% ~ 10% • Limiting factor of LED efficiency • Improvement techniques: dome-shaped package, textured surface, photonic crystal, … Source: Lecture Note of “Optoelectronic Devices” (by Sheng-fu Horng, Dept. of Electrical Engrg, NTHU, Hsinchu, Taiwan) Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  30. LED Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  31. Optoacopladores • Aislación eléctrica entre dos circuitos. Comunicación óptica • Típicamente se utilizan haces de luz entre el rojo al infrarrojo Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  32. Características importantes: • Tensión de aislación • Buena relación de transferencia • Baja capacidad de acoplamiento • Imnunidad a interferencias Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  33. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  34. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  35. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

  36. Referencias • Robert F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison –Wesley, 1996. Capítulos 6, 9, 14. • Stanley G. Burns, Paul R. Bond, “Principles of Electronic Circuits”, PWS Publishing Company, 1997. Capítulo 3. Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS

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