Dispositivi a semiconduttore
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Dispositivi a semiconduttore regione attiva EFn Eg EFp Eg EFn EFp + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Laser a omogiunzione elettrodo di metallo zona p 200 – 500 μm regione attiva zona n x 100 – 200 μm y fascio laser p‐AlxGa1‐xAs x p‐GaAs n‐AlxGa1‐xAs y n+‐GaAs substrato Confinamento lungo x p Confinamento elettrico Confinamento ottico Doppio confinamento corrente elettrodo ossido 2μm x p‐ Ga1‐xAlxAs GaAs n‐ Ga1‐xAlxAs n‐ GaAs substrato y elettrodo Schemi alternativi Dimensione laterale della zona attiva 2- 5 μm Ga1-xAlxAs 0.8 μm Pompaggio Lettura compact disc Ga1-xInxAs1-yPy Sorgenti per TLC Copre intervallo 0.9 -1.6 μm Ga0.8In0.2As Sorgenti di pompa per TLC 0.98 μm Reticolo cristallino Reticolo di Silicio/ Germanio Reticolo di GaAs/ InP Laser recenti : InxGa1-xN 0.37-0.5 μm DVD –Blu ray Materiali II –VI Lunghezze d’onda molto lunghe Infrarosso 2 – 32 μm Inversione di popolazione solo alla temperatura di azoto liquido Per questa applicazione: Quantum Cascade Lasers Fascio astigmatico Direzione x : 0.5 μm Direzione y : 5 μm divergenza angolare 40-50° divergenza angolare 5- 6° Collimazione : lente cilindrica Potenza di uscita (mW) 60 T= 0°C T= 60°C T= 25°C 30 50 100 corrente (mA) Caratteristiche dei laser λp nm 850 1300 1550 Δλmax nm 2.0 5.0 7.0 nm/°C 0.22 0.5 0.73 nm/°C 0.06 0.12 0.18 dλp/dT dλq/dT Comportamento multimodale Laser DFB elettrodo regione attiva strato anti‐riflesso strato anti‐riflesso elettrodo Multi quantum well VCSEL emissione laser elettrodo reticolo di Bragg ossido strato attivo reticolo di Bragg elettrodo Modulazione esterna Linea di trasmissione ottica trasmettitore diodo laser segnale elettrico modulatore 1 0 0 1 1 0 1 Modulazione diretta 1 0 0 1 1 0 1 segnale elettrico Linea di trasmissione ottica diodo laser LED LED LED elettrodo p‐Ga Asx P1‐x n‐Ga Asx P1‐x substrato elettrodo OLED Rivelatori termo‐elettrici Bolometro Effetto Seeback: forza elettromotrice indotta da gradiente termico lungo un metallo VDB= 0 se il ponte è bilanciato R(To)=Ro(1+α(T‐To)) T2 Eσ = ∫ σ (T )dT T1 Cella fotoelettrica Efficienza quantica η = 10-4 – 10-1 Corrente generata i = eηP/hν Sensibilità del rivelatore s = i/P = eη/hν [A/W] Fototubo moltiplicatore I dinodi sono posti a potenziale crescente ΔV ∼ 100 V Fotorivelatori in semiconduttore Fotorivelatori per medio infrarosso Raffreddati: eccitazione termica compete con assorbimento Rivelazione lontano IR: materiali drogati p Ge_Zn risponde a 60 μm Fotorivelatori fotovoltaici p n hν lacune Eg elettroni anodo catodo EFn EFp p ΔV lacune elettroni Corrente fotogenerata è proporzionale alla potenza ottica incidente Caratteristica tensione‐corrente Zona di break‐down Fotodiodo a valanga Tempi di risposta Compromesso tra sensitivity e velocità di risposta. Se ↑ area attiva ↑ capacità parassita e ↑ tempi di transito della carica Fotodiodo rispondono fino a centinaia di GHz RC I RS C anodo RP catodo Fotodiodo PIN Regione intrinseca corrisponde alla zona di carica spaziale Maggiore efficienza (+ area efficace) Tempi di risposta + lenti Fotodiodo silicio Strato antiriflesso InGaAs Germanio CCD (charge coupled device) Boyle & Smith Premio Nobel per la fisica 2009 Celle fotovoltaiche Celle fotovoltaiche • • Our planet receives ~1.2×1017 W of solar power, while the rate of current worldwide energy consumption is ~10,000 times smaller at ~1.3×1013 W. This means that the Earth receives more solar energy in an hour than the total energy it consumes in an entire year. Solar energy alone has the capacity to meet all the planet’s energy needs for the foreseeable future. Celle fotovoltaiche Celle fotovoltaiche Celle fotovoltaiche Prima generazione: singola giunzione p‐n basata su monocristallo c‐Si,mc‐Si, o c‐ GaAs, c‐InP Efficienza di conversione massima ηmax: 29% c‐Si Due principali meccanismi di perdita: l’impossibilità di assorbire fotoni con hν <Eg e la termalizzazione dell’energia hν‐Eg dei foto‐elettroni per hν>Eg Seconda generazione: tecnologia a film sottili per ridurre il costo del substrato, la quantità di materiale fotoattivo, i costi di processo (con riduzione di ηmax). I moduli a film sottile hanno costi inferiori rispetto al Si cristallino, ma anche efficienza inferiore. A parità di potenza installata, necessitano di superficie quasi doppia:sono quindi vantaggiosi nel caso di coperture con grandi superfici e per versatilità d’impiego. Es.:poly‐Si , a‐Si ,CdTe, CuInGaSe2(CIGS) Celle fotovoltaiche Terza generazione: celle a livelli di energia multipli, per aumentare ηmax a) Multigiunzioni(+ eventuali concentratori) b) Generazione di coppie multiple da singolo fotone con hν>>Eg o di singole coppie da più fotoni con hν < Eg c) Cattura delle cariche fotoeccitate prima della loro termalizzazione d) Amplificazione dell’assorbimento in film ultrasottili mediante guide d’onda nanostrutturate fotoniche/plasmoniche Modulatori a elettro‐assorbimento Modulatori a elettro‐assorbimento Modulatori a elettro‐assorbimento elettrodo di metallo zona p regione attiva 150 μm zona n Design simile ad un laser Comunicazioni ottiche: Rapporto di estinzione > 15dB InGaAsP o InGaAlAs su substrato InP Frequenze di modulazione fino a 40Gbit/s Tensioni dell’ordine del Volt
