Lezione 16

Dispositivi optoelettronici (1)
Sono dispositivi dove giocano un ruolo fondamentale
sia le correnti elettriche che i fotoni, le particelle base
della radiazione elettromagnetica.
Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate sia da
Una lunghezza d’onda  che da una frequenza  che
Sono tra loro in relazione tramite la legge:
  = c = velocità della luce nel vuoto = 300.000 km/s
Inoltre i fotoni sono portatori di una energia E = h 
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Dispositivi optoelettronici (2)
Es. luce verde   = 0,5 m  E = 2,48 eV
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Dispositivi optoelettronici (3)
I fotoni interagiscono con gli elettroni in tre modi:
Assorbimento: un fotone viene assorbito da un elettrone
che va dal livello energetico iniziale E1
al livello eccitato E2, con: E2 =E1+h .
Emissione spontanea: l’elettrone che si trova in uno stato
eccitato decade dal livello E2 al livello
E1, con E1 = E2 - h .
Emissione stimolata: un elettrone che si trova in uno stato
eccitato, che viene colpito da un fotone
può diseccitarsi emettendo un altro fotone.
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Dispositivi optoelettronici (4)
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Assorbimento (1)
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Assorbimento (2)
Se il fotone ha una energia uguale a Eg o superiore,
all’atto dell’assorbimento si ha una creazione di coppia
lacuna-elettrone, con l’elettrone che passa nella banda
di conduzione.
Se l’energia è superiore, l’elettrone passa nella banda
di conduzione e l’energia in eccesso viene dissipata
sotto forma di calore.
Se l’energia è inferiore non si ha una transizione, a meno
che non esistano livelli disponibili all’interno della banda
proibita.
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Diodi emettitori di luce (1)
I diodi emettitori di luce (LED) sono giunzioni p-n in grado
di emettere radiazioni nella regione dell’ultravioletto o del
visibile o dell’infrarosso.
I LED a luce visibile devono emettere fotoni nello
spettro del visibile  0,5 m <  < 0,7 m
 2,6 eV > energia del fotone > 1,8 eV
La larghezza della banda proibita deve riflettere questi
limiti. Giunzioni adatte si ottengono scegliendo
opportunamente i materiali: es. arseniuro di gallio.
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Diodi emettitori di luce (2)
La geometria tipica della giunzione è quella planare.
Il meccanismo di funzionamento è abbastanza semplice:
Si applica una tensione di polarizzazione diretta alla
giunzione p-n che genera così coppie elettrone-lacuna;
queste coppie si ricombinano emettendo i fotoni visibili.
Per rendere efficiente il meccanismo occorre che i fotoni
emessi siano in quantità sufficiente e che non vengano
persi prima di arrivare alla lente di materiale plastico che
ne permette la visualizzazione.
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Diodi emettitori di luce (3)
Una volta emessi i meccanismi di perdita principali sono:
•Assorbimento all’interno del LED
•Perdite per rifrazione aria-semiconduttore
•Perdite per riflessione totale interna della luce
(angoli maggiori dell’angolo critico)
Alcuni effetti si possono minimizzare ad esempio con la
scelta di substrati trasparenti e superfici interne riflettenti.
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Diodi emettitori di luce (4)
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Diodi emettitori di luce (5)
Una importante applicazione dei diodi all’infrarosso
è il disaccoppiamento, tra segnali di ingresso e di uscita.
fotone
Segnale di
ingresso
LED
Segnale di
uscita
fotodiodo
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Diodi emettitori di luce (6)
Il meccanismo di funzionamento è il seguente:
Si applica una tensione alla giunzione, si creano coppie
elettrone-lacuna che poi si ricombinano dando origine
alla emissione dei fotoni.
Questi vengono poi inviati ad un dispositivo ricevente
(fotodiodo) che col meccanismo inverso assorbe il fotone
e crea una coppia elettrone-lacuna che fornisce i portatori
di carica necessari a produrre la corrente nel circuito di
uscita.
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Collegamento a fibre ottiche (1)
Un’altra applicazione è la trasmissione di segnali ottici
lungo le fibre ottiche.
Infatti uno dei vantaggi è che il segnale si propaga alla
velocità della luce nel mezzo trasmissivo.
Una fibra ottica è una guida d’onda per le frequenze ottiche
capace di trasportare i segnali anche per molti chilometri
senza degradare l’informazione grazie al fenomeno della
riflessione totale.
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Collegamento a fibre ottiche (2)
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Collegamento a fibre ottiche (3)
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Display a LED
Display a LED a 7 segmenti
Display a LED a matrice di punti
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Laser a semiconduttore (1)
I laser sono dispositivi che sfruttano l’emissione stimolata
di radiazione per produrre radiazione con le seguenti
caratteristiche:
praticamente monocromatica
(energia ben definita  frequenze ben definite)
altamente direzionale (piccolissima divergenza
angolare del fascio).
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Laser a semiconduttore (2)
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Laser a semiconduttore (3)
L’inversione di
popolazione si genera
tramite il passaggio di
una corrente, con lo
scopo di eccitare i
portatori di carica
(elettroni e coppie
elettrone-lacuna) nel
piano di giunzione tra
due regioni diversamente
drogate.
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Laser a semiconduttore (4)
Le correnti impiegate in un sistema a semiconduttore risultano inferiori (20
mA) di quelle usate, ad esempio, in un sistema laser a gas.
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Laser a semiconduttore (5)
I laser a semiconduttore presentano inoltre le seguenti
caratteristiche:
Dimensioni molto ridotte (0,1 m di lunghezza)
Estrema facilità di modulazione tramite la corrente
di polarizzazione.
I campi di applicazione:
comunicazione su fibra ottica, registrazione video, lettura
ottica, stampa ad alta velocità, spettroscopia a gas.
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Fotorivelatori (1)
I fotorivelatori sono dispositivi che convertono
radiazione luminosa in segnali elettrici.
Il meccanismo di funzionamento è divisibile in:
 Generazione di portatori di carica da parte della luce
Trasporto e/o amplificazione dei portatori
Interazione della corrente col circuito esterno per
generare il segnale elettrico in uscita.
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Fotorivelatori (2)
Fotoconduttore
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Fotoresistenza
La fotoresistenza e costituita da materiali fotoconduttivi,
come il solfuro di cadmio ed il solfuro di piombo,
caratterizzati dalla proprieta di diminuire la loro resistenza al
crescere della radiazione luminosa incidente.
Resistenza = 1 MΩ, in
condizioni di totale oscurita,
Resistenza = 100Ω, quando
sottoposto a forti flussi
luminosi.
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Fotodiodi
Un fotodiodo è una giunzione p-n
polarizzata inversa.
Quando i fotoni incidono sul fotodiodo si
generano coppie elettrone lacuna che vengono
separate e generano corrente nel loro moto di
allontamnamento dalla regione di svuotamento.
I fotodiodi devono essere sottili per poter funzionare ad
alta velocità, e contemporaneamente devono essere
abbastanza spessi per permettere un sufficiente
assorbimento di fotoni.
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Silicon PhotoMultiplier (1)
L'idea è di lavorare nella regione immediatamente vicina alla
tensione di breakdown (10-20% superiore) per far partire una
scarica a partire da una singola coppia. In questo modo si ha un
segnale grande.
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Silicon PhotoMultiplier (2)
I SiPM sono rivelatori che servono a contare i singoli fotoni.
Per far questo se ne mettono molti riuniti in una matrice e si
sommano i loro segnali.
L'andamendo del segnale
sarà a gradini:
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Silicon PhotoMultiplier (3)
Risposta di un SiPM a impulsi luminosi da un LED molto debole
Si evidenziano i picchi dovuti ad un diverso numero di fotoni.
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