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
