Dispositivos Optoelectrónicos
Dispositivos Semicoductores - DIEC/UNS
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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6x1014 Hz
4.2x1014 Hz
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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
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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
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Respuesta espectral
• Variación de IL con la longitud de onda de luz incidente
Fotones
pares h-e
Eph>EG.
generan
solo si
Para Si, EG = 1.12
eV, y λmax=1.1μm
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Respuesta espectral
• Variación de IL con la longitud de onda de luz incidente
1) Potencia lumínica es
cte. Por ende, hay
menos fotones de
mayor energía (<λ)
2) 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
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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
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Fotodiodo p-i-n
• Top semiconductor thin, to
minimize absorption
• i region is depleted
• Most of the photocurrent is
generated in the depletion
region
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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)
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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
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Fotodiodos
• Factores Importantes
– Velocidad de respuesta
– Eficiencia cuántica:
•
relación entre fotones y pares h-e
– Linealidad
– Uniformidad espacial
– Ruido oscuro (dark noise)
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• Hamamatsu model S2386 silicon photodiode
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Toshiba TPS850
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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)
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Celdas Solares
• Junturas p-n de gran area
• Design to minimize energy losses
• Voc: open circuit voltage
• Isc: short circuit current
• Pmax = Im Vm
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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
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Celdas Solares
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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
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Celdas Solares
Area: 22cm2
Efficiency: 23.5%
Voc: 703 mV
Isc: 914mA
Jsc: 41.3mA
Vmp: 600mV
FF: 0.81
Imp: 868 mA
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Light Emitting Diode (LED)
Definition: a semiconductor device that emits incoherent
narrow-spectrum light when electrically biased in the
forward direction
Courtesy of Wikipedia
Dispositivos
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http://en.wikipedia.org/wiki/LED
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
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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
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LED’s
η = Photo power out/electrical power
External quantum efficiency: is due to reflections in the
Interface air-semiconductor
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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
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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!
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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)
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LED
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Optoacopladores
• Aislación eléctrica entre dos
circuitos. Comunicación óptica
• Típicamente se utilizan haces
de luz entre el rojo al infrarrojo
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• Características importantes:
– Tensión de aislación
– Buena relación de transferencia
– Baja capacidad de
acoplamiento
– Imnunidad a interferencias
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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.
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