OPTOELEKTRONIKA

1. OPTOELEKTRONIKA • princípy optoelektroniky • fotoefekt • fotovodivosť • fotoemisia • laserový jav • zdroje • LED • laser • súčasné trendy: LCD, plazmaTV, ... • detektory • fotodióda • fotoodpor • fototranzistor ... • modulátory • optické vlákna • optoelektronické systémy • IT, opt.pamäťové médiá • senzorika, detekcia • priemysel, zobrazovače a snímače obrazu „Elektronické súčiastky II“

2. Spektrum žiarenia optoelektronika Svetlo: 380 – 760 nm

3. Princípy optoelektroniky _ kvantum energie žiarenia – fotón: E = hn = hw k – smer pohybu, polarizácia odrazivosť priepustnosť (transmisia) absorpcia Žiarivosť: Ie = dFe/dW [W sr-1] Intenzita ožiarenia: Ee = dFe/dA [Wm-2] Bouguerrov-Lambertov zákon absorpcie žiarenia v pevnej látke: F(x) = F(0)[1 – R(l)] exp(- ax) [W]a(w),a(l) – absorpčné spektrum látky v – fázová rýchlosť žiarenia v danom prostredí n – index lomu Doterajšie znalosti ktoré budeme potrebovať: QM, optika, fyzika tuhých látok, polovodiče, PN prechod,... n(l) - disperzia (rozptyl) látok, závislosť na rýchlosti šírenia Pri dopade žiarenia s celkovým ž. tokom F0 na povrch látky časť sa: odrazí Fr absorbuje Fa prechádza Ft Platí: R(l) + S(l) + T(l) =1

4. Princípy optoelektroniky absorpcia 2 hn 2hn hn hn 1 Z časovej Schrödingerovej rovnice po dlhom počítaní získame Fermiho zlaté pravidlo pre pravdepodobnosť prechodu 12: Dipólové priblíženie: • nevyhnutná podmienka pre optický prechod: • pravdepodobnosť prechodu je úmerná kvadrátu • poruchového maticového elementu • procesy 12 a 21 sú identické, keďže spontánna emisia stimulovaná emisia • Absorpcia • vlastná – fotón vyvolá prechod elektrónu z valenčného do vodivostného pásu • absorpčná hrana – vlnová dĺžka prahu vlastnej absorpcie určená Eg • prímesová – využitie vo fotoodporoch • fonónová – na kmitoch mriežky • voľnými nosičmi náboja • excitónová – séria ostrých čiar s energiami tesne pod absorpčnou hranou

5. Priame a nepriame prechody prechody priame – v priamych polovodičoch (GaAs,InAs) nepriame – v nepriamych polovodičoch (Ge, Si,GaP), aby bol zachovaný kváziimpulz = prechod za pomoci ďaľšej častice - fonónu Podmienka zachovania celkovej energie hf = Ec(kc) – Ev(kv) a zachovania celkového vlnového vektoru (hybnosti) k = kc – kv pričom hf=hc|k|2p a k<<kc,kv • V prípade že minimum vodivostného pásu neleži v k=0, • optická absorpcia do vodiv.pásu je možná len za predpokladu zachovania celkového impulzu • – preto rozptyl na fonónoch, alebo e-e interakcia, alebo rozptyl na poruchách kryšt. mriežky • Prechod pozostáva z dvoch stupňov: • najprv absorpcia fotónu a potom v blízkosti vodivostného pásu absorpcia alebo emisia fonónu • medzistav je len virtuálny • oveľa menej efektívne než priamy optický prechod – menšia pravdepodobnosť radiačnej rekombinácie

6. Princípy optoelektroniky polarization independent isolator Faraday rotator F ½ waveplate C Birefringent plate B1 Birefringent plate B2 Fiber 1 Fiber 2 Forward direction B1 B2 F C Fiber 1 Fiber 2 Reverse direction Vplyvy na pásovú štruktúru: teplota, tlak, elektrické a magnetické pole = zmena absorpčného spektra Franz – Keldyšov jav: elektrické pole spôsobí náklon en.pásov polovodiča a narastá tak pravdepodobnosť existencie elektrónu v zakázanom páse blízko minima vodivostného a maxima valenčného pasu, dochádza tak k posunu absorpčnej hrany k nižším energiám Faradayov jav: rovina polarizácie lineárne polarizovaného žiarenia sa pri prechode kryštálom stáča o istý uhol, ktorého veľkosť závisí na hrúbke kryštálu, indexe lomu a frekvencii dopadajúceho žiarenia DE = hw < Eg

7. Zdroje žiarenia Rovnovážne – tepelné – spektrálne zloženie závisí od T, Wienov zákon, b=2.9x10-3 mK Prehľad spôsobov generácie žiarenia v TL • malý výkon vyžiarený vo viditeľnej oblasti • spektrá príliš široké a spojité • poloha lmax často nevyhovuje Nerovnovážne – častice vybudené pôsobením EM poľa tepelná energia je parazitný jav znižujúci účinnosť premeny energie Príklady : – výboje v plynoch  výbojky: nízkotlaková Hg, Cd, vysokotlaková Xe výbojka – luminiscencia – lasery Podľa budiacej energie: Bioluminiscencia – chemická energia Katodoluminiscencia – excitácia zväzku rýchlych elektrónov (CRT obrazovka, rtg.lampa) Fotoluminiscencia – budenie UV alebo VIS žiarením a generácia dlhších vln.dĺžok (Stokesov zákon) Elektroluminiscencia – premena elektrickej energie priamo na EM žiarenie– polovodičové prvky Procesy pri EL: excitácia –prenos excitačnej energie na miesta rekombinácie – žiarivá rekombinácia Pri nadbytku párov el.-diera dochádza k ich rekombinácii pri prechode polovodiča do rovnovážneho stavu. Energia uvoľnená pri procese rekombinácie môže bzť emitovaná vo forme elektromagnetického žiarenia vo viditeľnej oblasti. Energia emitovaných fotónov je menšia nanajvýš rovná šírke zakázaného pásu (tzv. hraničná vlnová dĺžka) v závislosti od toho, ktorý z prechodov sa na rekombinácii podieľa. Závislosť na druhu polovodiča – pásovej štruktúre, jeho dotácii – polohe hladín prímesí, a na teplote. Injekcia na prechode PN na heteroprechode polovodič – polovodič kov – polovodič kov – izolant – polovodič

8. Rekombinačné mechanizmy zmena koncentrácie elektrónov pri rýchlosti rekombinácie R doba života nosičov v nerovnovážnom stave Efektívna doba života nadbytočných nosičov náboja vnútornú kvantovú účinnosť definujeme ako podiel generovaných fotónov nr a celkového počtu excitovaných elektrónov nc za jednotku času Množstvo zrekombinovaných nosičov nr je nepriamo úmerné príslušnej dobe života (tiež ) vnútorná kvantová účinnosť závisí aj na teplote: Ec 7 3 5 1 8 hn 2 4 9 6 Ev Zobrazovaciejednotky Luminofory – aktívne materiály – čistá elektroluminiscencia Aktívny materiál – luminofor – umiestnený medzi priehladnými vodivými elektrodami s budiacim napätím teplotné zhášanie luminiscencie – samovoľná excitácia elektrónov z valenčného pásu (4) Nežiarivá rekombinácia za účacti 3 častíc = Augerova rekombinácia – el. a diera nežiarivo rekombinujú a predajú uvoľnenú energiu ďaľšiemu voľnému nosiču el.-el. interakcia, el.-phon. interakcia zvyšuje sa len tepelná energia sústavy

9. Spontánna emisia Diferencovaním získame: Hustotu stavov, pre ktorú pri energii fotónu existuje nejaký vhodný cieľový stav vo vodivostnom páse, získame z hustoty stavov vo valenčnom páse Toto je takzvaná kombinovaná hustota stavov, hustota párových stavov, ktoré sa môžu podieľať na optickom prechode vo frekvenčnom intervale Koeficient (rýchlosť) spontánnej emisie rsp je súčin účinného prierezu emisie ssp, kombinovanej hustoty stavov Zj a Fermi faktoru: Pravdepodobnosť, že jeden stav E2 je zaplnený a jeden stav E1 vo valenčnom páse je neobsadený Uvažujme priamy optický prechod medzi hladinami E2 vo vodivostnom a E1 vo valenčnom páse s parabolickou aproximáciou Spektrum spontánnej emisie vzbudeného polovodiča

10. PN prechod Tunelový prechod zak.pásom v silne degen.PN Tunelový prechod na Prímesovú hladinu napätie U v priepustnom smere Polarizácia PN prechod v priepustnom smere spôsobí injekciu minoritných nosičov cez oblasť priestorového náboja. Časť elektrónov (dier) Injektovaných do polovodiča P (N) žiarivo zrekombinuje s majoritnými nosičmi. Reálne štruktúry: ďalšia zložka prúdu napr. od nežiarivej rekombinácie v oblasti priestorového náboja s pomocou hlbokej energ. hladiny

11. LED výkonová účinnosť rýchlosť žiarivej rekombinácie r – koeficient žiar.rekombinácie – materiálová konštanta (10-15 – 10-11 cm3/s) pravdepodobnosť, že injektované elektróny Dn budú v oblasti P rekombinovať žiarivo s voľnými dierami p0+Dp Princíp činnosti LED – tzv. injekčná luminiscencia – priepustne polarizovaným PN priechodom sa vytvorí nadbytočná koncentrácia minoritných nosičov náboja – časť nadbytočných nosičov žiarivou rekombináciou zaniká

12. Materiály IV (Si, Ge, SiC) III-V(GaAs, GaN, InP, InSb) II-VI(CdS, CdTe, ZnS, ZnSe) priame I-VII(CuCl, CuI) I-III-VI2 (CuAlS2，CuInSe2) II-IV-V2 (CdGeAs2, ZnSiP2)

13. Spektrálne charakteristiky GaAs:Zn difúznych LED a epitaxných GaAs:Si LED Polguľa zabraňuje totálnemu odrazu = zvýšenie vyž. výkonu LED

14. hladiny viazaných excitónov v GaP LED prímesy v GaP

15. Iné typy prechodov Tunelový jav Schottkyho prechod U -priepustný smer U – záverný smer U=0 Heteroprechod – v GaAs blízko PN dochádza ku kumulácii dier = lokalizácia oblati generácie žiarenia do malej oblasti = výrazné zlepšenie kvantovej účinnosti

16. Heteroštruktúry Vlnovodný jav vzniká keď a keď uhol dopadu lúča na rozhranie je väčší ako kritický uhol n1 n2 n3 AlGaAs GaAs band offset bandgap solid alloys – tuhé zlúčeniny (roztoky) napr. AlxGa1-xAs GaxIn1-xP1-yAsy AlxGa1-xPyAs1-y AlxGa1-xSb1-yAsy GaxIn1-xAs1-ySby – všetky optoelektronické prvky s veľkou efektívnosťou

17. Heteroštruktúry Šírka zakázaného pásu vs. mriežková konštanta Zdroj: J. S. Harris "EE243. Semiconductor Optoelectronic Devices", Center for Integrated Systems (CIS), Stanford University 2003 http://eeclass.stanford.edu/ee243/

18. Potenciálová jama konečná Hladiny energie v jednorozmernej potenciálovej jame nekonečná n = 3 n = 2 častica v „škatuli“ + tunelovanie n = 1 E1>0 E a voľný elektrón k

19. Kvantová jama - kvantovanie Blochove funkcie Y(z)

20. Nízkodimenzionálne štruktúry N(E) N(E) 3D systém 2D systém 1D systém hustota stavov energie N(E) E E E Dôsledok: aj absorpčné a emisné spektrá sú rôzne - lepšia rekombinácia – dobré pre LEDky

21. Nízkodimenzionálne štruktúry 0D 3D - bulk 3D 2D hustota stavov energie 1D 2D - kvantová jama energia 1D - kvantové drôty 0D - kvantové body

22. Žiarivé prechody interband transitions – medzipásové prechody

23. Žiarivé prechody intraband transitions – vnútropásové prechody

24. Laserový efekt Trojhladinový model Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A,B – Einsteinove koeficienty 1 hn = E1 - E0 B10 B01 A10 inverzná populácia emisia > absorpcia optical confinement hn hn 2hn hn 0

25. Laser Stimulovaná emisia a zároveň absorpcia žiarivého toku: g – zisk aktívneho prostredia, ac – celkový koeficient vnútorných optických strát aktívneho prostredia, R1,R2 koeficienty odrazu čelných stien rezonátoru, L – dĺžka rezonátoru • Oscilátor and zosilňovačsvetla • Vlnové balíkymajú tú rovnakú fázučoho dôsledkom je: • Koherencia: žiarenia z dvoch rôznych laserov môžu interferovať • Smerovosť • Monochromatičnosť: len veľmi úzka šírka čiary • Vysoká hustota energie: laser môžefokusovaním zohrievať materály • Ultra krátke pulzy: trvanie laserových pulzovmožno zredukovať až na femtosekundy (10-15 s) • Boseho kondenzát makroskopický kvantový stav Podmienka vzniku netlmených kmitov: zisk hradí všetky straty Žiarivý tok po dvojnásobnom prechode rezonátorom Prahový zisk vlastnosti polovodičových laserov v blízkosti prahu nadprahový režim

26. Laser a LED Laserová dióda pracuje ako LED ak pracovný prúd nepresiahne prahovú hodnotu Laser action With stimulated emission Laser action With stimulated emission Light Intensity Spontaneous emission Spontaneous emission Threshold current Wavelength Forward bias current

27. Polovodičový laser Koncentrácia elektrónov a dier je vyššia ak sú „uväznené“ v tenkej aktívnej vrstve GaAs medzi dvoma AlGaAs vrstvami = double heterojunction 1970 prvý krát pri izbovej teplote v kontinuálnom režime Radiačná rekombinácia- elektroluminescencia

28. Polovodičový laser - zmena indexu lomu - svetlo vo vlnovode - total internal reflection Fabry-Perot resonator laser cavity pásiková geometria

29. Monomód DBR DBR – rozprestretý Braggov odrážač DFB – rozprestretá spätná väzba

30. Využitie laserov • Optical Communications • Optical Storages • Laser Printers • Displays • Laser Processing • Medical Treatments • Spectroscopy • Optical communication：1.5m; GaInAsSb, InGaAsP • CD：780nmGaAs • DVD：650nm GaAlAs MQW • DVR：405nm InGaN MQW

31. Detektory

32. Detektory U polovodičov využitie vnútorného fotoelektrického javu fotorezistory fotodiódy Spektrálna citlivosť – podiel odozvy detektora k dopadajúcemu monochromatickému žiarivému toku: spektrálna citlivosť Integrálna citlivosť detektora:

33. Fotoodpor Typická spektrálna odozva fotoodporu Ds spolu s absorpčnou krivkou a • lineárna rekombinácia • kvadratická rekombinácia

34. Fotoodpor prírastok fotovodivosti spôsobený vnútorným fotoelektrickým javom = fotoelektrická vodivosť Pohyblivostná fotovodivosť Absorpcia nosičmi aj vnútri príslušného pásu Aj pre fotóny Koncentračná fotovodivosť vyžaduje energiu fotónov >= Eg , Gn je generačná rýchlosť (teplo+dopadajúce žiarenie), Rn=rnnNrn je rekombinačná rýchlosť pri koncentrácii rekomb. centier Nrn a s rekombinačným koeficientom rn rovnica kontinuity: Rn=Cnn = konšt. n je lineárna (monomolekulárna ) rekombinácia, kde Cn= rnNrn=1/tn a tn je doba života voľných nosičov. Rn=rnn2 je kvadratická (bimolekulárna) rekombinácia Pre koncentráciu nerovnovážnych nosičov pre lineárnu rekombináciu dostaneme a pre kvadratickú rekombináciu Prírastok prúdu po ožiarení – fotoprúd: V - ožiarený objem, he – kvantová účinnosť vnútorného fotoelektrického javu, Fp – fotónový tok dopadajúci na citlivú plochu detektoru. Fotocitlivosť je súčin pohyblivosti mn doby života tn.

35. Fotoodpor Odporová citlivosť:

36. Fotodióda - - - - + + + + ｐ-type ｎ-type Depletion layer Absorpciou optického žiarenia na nehomogénnom polovodiči dochádza k fotovoltaickému javu – najvýraznejšie na PN prechode. Excitáciou fotónom sú generované páry elektrón – diera na PN prechode. Ak sú páry generované vo vzdialenosti menšej než ich difúzna dĺžka, potom sa dostávajú do ochudobnenej oblasti priestorového náboja, kde sú elektróny a diery vplyvom el.poľa odseparované. Diery, pre ktoré neexistuje potenciálová bariéra PN prechodu tak prejdú do polovodiča P. Tak vznikne dodatočný prúd If, ktorý poruší termodynamickú rovnováhu prechodu PN. Polovodič P sa nabíja kladne a na prechode PN vzniká potenciálový rozdiel. Frekvenčné vlastnosti závisia od kapacitancie ochudobnenej oblasti a dobou difúzie nadbytočných nosičov do oblasti prechodu, kde dochádza k ich rozdeleniu. Zrýchliť sa dá zámenou difúzneho pohybu za driftový v el. poli napr. vhodným dotačným profilom. V hradlovom režime – pracuje ako generátor prúdu meniaci radiačnú energiu na elektrickú. odporový hradlový režim slnečná batéria laterálny fotovoltaický jav - polohovo citlivé snímače

37. Fotodióda Fotoelektrický prúd Sl – spektrálna citlivosť fotodiódy bc – zberný koeficient – pomer nosičov kt. dosiahli prechod k celk. počtu generovaných nosičov h´e – kvantová účinnosť vnútorného fotoelektrického javu 3.Kvadrant = optický detektor odporový režim najcitlivejší na svetlo ionizácia 4. kvadrant = zdroj el. energie hradlový režim

38. Fotodióda Matica detektorov- mriežka fotodiód Implantovaný prechod Ekvivalentnézapojenie Epitaxný heteroprechod R1 - záťaž lineárny režim pri minimálnom odore záťaže logaritmický režim R1 > 10MW

39. PIN dióda Frekvenčné vlastnosti možno výrazne zlepšiť vytvorením intrinzickej vrstvy medzi PN = štruktúra PIN. Väčšia časť žiarenia je pohltená v širokej oblasti I s o 6-7 rádov vyšším merným odporom, kde pomerne silné elektrostatické pole v dôsledku vonkajšej spätnej polarizácie urýchľuje nosiče náboja. Nosiče sú generované v tej oblasti, kde sú najvhodnejšie podmienky na ich rozdelenie. WI~100µm – driftová rýchlosť Doba driftu cez oblasť I šírky WI WI znižuje kapacitu, je nastavená zvyčajne tak, aby preletová doba bola polovicou modulačnej periódy signálu InGaAs Si

40. Lavínová dióda Vplyvom lavínového javu – vnútorné zosilnenie fotoprúdu (zisk: 102-106). Záverné napätie nesmie spôsobyť lavinový prieraz za tmy. Generované nosiče sú urýchlené natoľko, že ich kinetická energia stačí ionizovať ďaľšie atómy – exponenciálny nárast nosičov v dôsledku nárazovej ionizácie, tie sa okamžite rozdeľujú v poli prechodu PN. Medzný kmitočet ~ 100GHz. Doba „vyhorenia“ lavíny len ~ps. Využitie v širokopásmovej detekcii opt. signálov, telekom.

41. Fototranzistor • Fotodióda a tranzistorový zosilňovač • v jednom systéme. Fotoprúd spôsobený absorpciou dopadajúceho žiarenia je zosilnený tranzistorovým javom. • - maximum žiarenia absorbované v báze • báza nemusí byť zapojená • – riadiaci signál = intenzita dopadajúceho žiarivého toku

42. Fototranzistor kolektor emitor Fototranzistor FE – s efektom poľa báza hradlo Odpor kanálu N sa mení s intenzitou žiarenia a závisí od potenciálu hradla, ktoré určuje aj šírku priechodu PN. Prechod kanál-hradlo sa správa ako fotodióda s pripojeným rezistorom Rh, cez ktorý preteká fotoprúd If. Veľký nárast citlivosti fototranzistora FE je úmerný strmosti prenosovej charakteristiky S=dID/dUz pri USD=konšt. Dopadajúcim žiarením sú v báze generované páry el.-diera. Účinkom gradientu vnút. poľa bázy sa elektróny pohybujú smerom k emitorovému a diery ku kolektorovému prechodu. Minoritné diery ktoré sa dostali driftom/difúziou do kolektorového prechodu sú poľom prechodu strhávané a tvoria fotoprúd If, podobne ako u fotodiódy. Objemový náboj elektrónov v báze vyvoláva pokles potenc. bariéry emitorového prechodu a tým aj silnú injekciu dier, ktoré sú minoritnými nosičmi, do bázy. Tým získame zosilnenie fotoelektrického prúdu: Kolektorový prúd: a0 – prúdový zosilňovací činiteľ nakrátko

43. Fototyrystor konštrukcia Podobne ako u fototranzistora sú nadbytočné nosiče potrebné pre spínanie štruktúry vytvorené absorpciou fotónov. Fototyristor nemusí mať vyvedenú riadiacu elektródu. Konštrukčne sa musí najviac fotónov dostať do oblasti záverne polarizovaného prechodu. Prepnutie spínača so stavu s vysokým odporom do stavu z nízkym odporom je spôsobené zvyšovaním prúdu hlavne poklesom odporu prechodu P2N1. Páry generované v oblastiach menších než difúzna dĺžka nosičov sú separované potenciálovou bariérou prechodu P2N1 podobne ako vo fotodióde. Využitie pri galvanickom oddelení riadiaceho signálu od záťaže. stredný prechod P2N1 polarizovaný v závernom smere hrá úlohu fotodiody

44. Solárne články schématická značka ekvivalentný obvod vnútorný odpor čo najmenší pre zamädzenie strát 1.Generácia – Si s PN prechodom 2.Generácia – heteroštruktúry 3.Generácia – nanokryštály, polyméry, fotochemické články IK - prúd nakrátko lin. úmerný intenzite osvetlenia (ožiarenej ploche) UL – napätie naprázdno rastie logaritmicky s intenzitou osvetlenia Koeficient plnenia Nmax/IKUL=1 v ideálnom prípade Účinnosť energetickej konverzie h[%] =podiel Nmax a ožiarenia E[W/m2] a plochy ožiarenej plochy A[m2] Kvantová účinnosť = % absorbovaných fotónov ktoré vygenerujú páry el.-diera Si drift

45. Solárne články

46. Maticové polia detektorov MIS štruktúry CCD ccd CMOS vidikon - prvá videokamera

47. Fotonka vonkajší fotoelektrický jav vakuová fotonka Fotonásobič – využitie sekundárnej emisie elektrónov k zosilneniu prúdu vákuovej fotonky pri minimálnom šume elektrostatické vedenie elektrónov Vhodný povlak elektród zvyšuje činiteľ sekundárnej emisie v mnohých prípadoch nahrádzané lavínovými diodami

48. Optoelektronické systémy Prenosový systém s optickou väzbou • galvanické oddelenie vstupu od výstupu • prenos viacero nezávislých signálov naraz – veľká informačná kapacita • vysoká selektivita – dané šírkou spektrálnych čiar • vysoká rýchlosť prenosu ( c ) • odolnosť voči poruchám • jednosmerný prenos signálu • Light source：LD=laser diode • pn junction, DH structure, DFB structure • Transmission line: Optical fiber • Total reflection, attenuation by Rayleigh scattering and infrared absorption • Photo detector: PD=photodiode • Amplifier: EDFA=Erbium-doped fiber amplifier • Elements: isolator, attenuator, circulator Optrón Dôležité prvky optickej komunikácie V optickej komunikácii sa využívaju PIN a Schottkyho diódy na báze InGaAs

49. Zdroje informácií http://eeclass.stanford.edu/ee243/ http://britneyspears.ac/lasers.htm J.Mišek, L. Kratěna, Optoelektronika, SNTL, Praha 1979 P.Habovčík, Lasery a fotodetektory, ALFA,Bratislava, 1989 I.Burger,L.Hudec,Elektronické prvky, ALFA, Bratislava, 1989 O.Csabay,M.Žiška,Elektronické a mikroelektronické prvky – Časť II,SVŠT EF, Bratislava, 1988

50. Kvantový kaskádový laser Quantum Cascade Laser Lasery s radiačnou rekombináciou QCL