2. Introducción
Definición: generación, detección, control y aplicación de la luz en
Introducción
diversos campos de la tecnología.
Fotoconductores
Fotodiodos Aplicación: Telecomunicaciones y optoelectrónica.
Células solares
LED
Principio: combinación simultanea de microelectrónica y fotónica
gracias a los semiconductores
Objetivo: convertir luz en corriente eléctrica (detectores, fotodiodos y
células solares) o el contrario (diodos emisores de luz).
Aplicaciones concretas: Detectores de luz, células solares, indicadores,
semáforos, luces de freno de los coches, lámparas, láseres,
reproductores de CD y DVD, impresoras laser, etc.
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
3. LOS FOTOCONDUCTORES
Funcionamiento:
- Se basa en la colección de los portadores de carga que son
Introducción generados por los fotones absorbidos dentro de un material
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares
LED
- Longitud de onda detectable máxima :
- Si , el material se hace transparente.
Si , la absorción es tan importante que los fotones se
absorben muy cerca de la superficie del semiconductor.
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
4. LOS FOTOCONDUCTORES
Fabricación y uso actual de los fotodetectores:
Introducción - Hoy en día están formados por varias capas delgadas de
Fotoconductores semiconductores con distintos composiciones y dopajes.
Fotodiodos
Células solares
LED - Se añaden otras capas aislantes (para disminuir las perdidas,
modular la respuesta espectral...etc.) y capas metálicas
(contactos eléctricos con el circuito externo)
- Varias aplicaciones: sistemas automáticos de apertura de
puerta, televisión, fotografía digital, escáneres, lectores de
código de barras, sensores ..etc.
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
5. LOS FOTOCONDUCTORES
- Muy sencillos
- Se basan en la fotoconductividad
Introducción Detección en el infrarrojo y cuando los niveles de intensidad de
Fotoconductores
Fotodiodos
luz son elevados
Células solares (Son detectores de respuesta lenta no se pueden usar para
LED aplicaciones de alta frecuencia)
Transiciones de banda a banda intrínsecas o extrínsecas con la
absorción óptica
incremento de la concentración de portadores en la banda de
valencia o en la banda de conducción del semiconductor
se puede detectar y medir la intensidad de la radiación usando
un semiconductor muy sensible a la radiación luminosa en una
región de longitud de onda determinada
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
6. LOS FOTOCONDUCTORES
Metal e-
Ec
Introducción (contacto)
Fotoconductores Ef qVo
Fotodiodos
Células solares hv
LED Ev
Ef
h+ Metal
(contacto)
Semiconductor
intrínseco
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
7. LOS FOTOCONDUCTORES
Contactos metálicos
Luz
incidente
+
Introducción h+ e-
Fotoconductores
Fotodiodos -
Células solares
LED Capa
semiconductora
Substrato aislante
fotocorriente
No todos los portadores fotogenerados contribuyen a la
conducción (una fracción importante se recombina)
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
8. LOS FOTOCONDUCTORES
- Fotoconductores intrínsecos: la aparición de una fotocorriente
ocurre sólo para luz de energía mayor que (energía de gap)
Introducción
Fotoconductores
- Fotoconductores extrínsecos: esto ocurre para energías
Fotodiodos mucho menores que
Células solares
LED
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
9. LOS FOTOCONDUCTORES
- Estado “estacionario”
velocidad de recombinación (R) = velocidad de generación de
portadores (G)
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos Para un intrínseco: y
Células solares
LED
- Velocidad de arrastre de los electrones por el campo
eléctrico :
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
10. LOS FOTOCONDUCTORES
Así tenemos R=G
Introducción
y
Fotoconductores
Fotodiodos Hemos definido también:
Células solares
LED Entonces, estas formulas conducen a un nuevo incremento de
corriente:
Definiendo el tiempo de tránsito de los electrones entre
dos electrodos:
Finalmente obtenemos:
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
11. LOS FOTOCONDUCTORES
- Corriente primaria debida a los portadores fotogenerados :
Introducción
Fotoconductores
Corresponde a la velocidad de generación de carga en el
Fotodiodos semiconductor
Células solares
LED - Factor de ganancia del fotodetector:
Conocer el factor de ganancia nos permite determinar el
material lo más apropiado que hay que usar:
Queremos una ganancia muy grande (para que los
portadores sean colectados antes de que se recombinen)
lo mayor posible y lo más pequeño posible
Usar semiconductores muy puros y libres de defectos
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
12. LOS FOTODIODOS
Diodo en polarización inversa con un voltaje alto para evitar el
paso de los portadores mayoritarios. La detección de luz hace
conducir los portadores minoritarios.
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares
LED - Más rápido que un fotoconductor
- Más sensibilidad que un fotoconductor
- Básicamente el mismo funcionamiento que un fotoconductor
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
13. LOS FOTODIODOS
P ZCE N
hv
e-
Introducción Ec
Fotoconductores
Fotodiodos Ef qVoc
Células solares Ev
LED h+
ɛ
efecto fotovoltaico
Voc
Lh Le
P + - + - N
+ - + -
+ - + -
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
14. LOS FOTODIODOS
I=I0[exp(qV/kT) – 1] - IL Portadores generados por
iluminación (corriente inversa)
Diodo en oscuridad
(simple)
Introducción
Fotoconductores
I
Fotodiodos
Células solares
LED
I0 V
IL
IL=qGS(W+Le+Lh) => Proporcional a G (generación de portadores)
=> Proporcional a la iluminación
=> Convierte señal óptico en eléctrico
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
15. LOS FOTODIODOS
Aumentar la anchura de la ZCE
Introducción
Más radiación en esta región => más corriente
Fotoconductores Más lento => menor velocidad de los portadores
Fotodiodos
Células solares Disminuir la anchura de la ZCE
LED
Menos radiación
Más rápido
Un compromiso es necesario.
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
16. LOS FOTODIODOS
Fotodiodo con una capa intrínseca entre los semiconductores P y N.
Ventaja => soportar tensiones inversas mucho más grandes
Introducción ɛ
Fotoconductores
Fotodiodos
ɛ avalancha V proporcional a la
Células solares ɛ1max fotodiodo area de ɛ=>
LED
ɛ2max diodo p-i-n Area ɛ1=Area ɛ2
Pero, para el mismo V
aplicado,
extrinseco
ZEC
ZEC ɛ1max>ɛ2max
Entonces, aguanta
intrínseco P I N
más tensión inversa
hasta alcanzar el
campo eléctrico de
avalancha
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
17. LOS FOTODIODOS
Película anti reflectante
hv
Aislante
(SiO2)
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos Contacto
Células solares
LED
metálico
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
18. LOS FOTODIODOS
Longitud de onda de 10μm
Introducción
Fotoconductores
Detecta radiación infrarroja
Fotodiodos Utilizado para visión
Células solares nocturna y imágenes
LED
térmica
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
19. LOS FOTODIODOS
F=0
E2
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos 20nm
Células solares EF
LED
hv hv hv
E1
4nm
50 pozos (PCM)
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
20. LOS FOTODIODOS
F≠0 => inclinación estructura de bandas
E2
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos Conducción
hv
Células solares
LED
hv
E1
hv
E2-E1=0,1eV
Radiacion hv=0,1eV
Con v=1/10μm
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
21. LOS FOTODIODOS
Diodo de Schottky
Funcionamiento: unión metal(oro)-semiconductor (dopado N) =>
fotocorriente como en la unión PN pero hace pasar la luz si la capa
de metal es bastante delgada (10nm)=> ZCE muy cerca de la capa
Introducción de incidencia => radiaciones son absorbidas => producen pares
Fotoconductores é/h que participan al fotocorriente inicial
Fotodiodos
Células solares Ventaja: radiaciones de pequeñas longitudes de onda absorbidos
LED Aplicación: detectores de ultravioletas con alta velocidad de respuesta
Diodo de avalancha
Funcionamiento: voltaje aplicado mucho mayor => pares é/h
acelerados a grandes velocidades => impacto con los átomos del
SC produce mas pares é/h => fenómeno de avalancha
=> la corriente se multiplica de varios ordenes
Ventaja: Gran ganancia
Aplicación: detección de poca intensidad de luz
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
22. CELULAS SOLARES
Convierten directamente la energía de la luz del sol en corriente
eléctrica por medio del efecto fotovoltaico.
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares
LED
- ¡¡ NO lleva polarización externa !!
- Operan en el cuarto cuadrante de la curva característica I-V
- Básicamente el mismo funcionamiento que un fotodiodo
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
23. CELULAS SOLARES
Recubrimiento hv
antirreflectante
Introducción
Fotoconductores h+
Fotodiodos n
Células solares RL
LED
e-
p
Contactos
metálicos
Fotones absorbidos en la unión p-n pares e- - h+ en BC y BV
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
24. CELULAS SOLARES
I
Rs I
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos Vm Voc
Células solares IL Icel RL V
LED Im
Isc Q
1/RL
I I L Icel
qv kT
PQ I m Pm 0'75 I sc Voc 0
I I L IO e 1
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
25. CELULAS SOLARES
Semiconductores con EG muy concreta ya que si:
Introducción
Fotoconductores 1. EG pequeña energía solar de menor λ es absorbida
Fotodiodos directamente en la superficie y prácticamente no contribuye
Células solares
LED a la corriente de la célula.
2. EG grande radiación con λ > λc (crítica) no es absorbida.
Psum inistrada
EG óptimo entre 1’1 y 1’4 eV factor de eficiencia 30%
(Si y GaAs) Pincidente
Células comerciales 15%
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
26. LOS LEDS
Los diodos emisores de luz produce luz cuando pasa corriente a
través de ellos efecto ELECTROLUMINISCENTE
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares
LED
- Funcionan al contrario que el fotodiodo
- La emisión de luz va acompañada de emisión de calor
- Hay de dos tipos:
- Gap directo
- Gap indirecto
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
27. LOS LEDS
P ZEC N
e-
Introducción Ec
hv
Fotoconductores
Fotodiodos Ef
hv
Células solares Ev
LED h+
ɛ
+ V -
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
28. LOS LEDS
Gap directo La transición radiactiva se hace sin cambio
en el momento del electrón. Es mucho mas probable que
Introducción ocurra que en los de gap indirecto.
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares Gap indirecto La transición radiactiva se hace con cambio
LED
en el momento del electrón con la participación de un
fonón o vibración en la red cristalina. Producen más calor
al intentar producir luz.
Algunos de gap indirecto pero con energía más elevada
pueden emitir luz visible siempre que eliminemos las
transacciones no radiactivas (calor)
Además se utilizan para formar compuestos ternarios para
aumentar de la banda prohibida.
Microelectrónica – LEDS
Dispositivos fotónicos
29. LEDS
- Dependiendo el compuesto que utilicemos hacemos LEDS de
un color u otro.
- En un mismo compuesto dependiendo de la intensidad de la
luz aplicada la longitud de onda varia.
Introducción - La intensidad de la luz que emite el LED depende de la
Fotoconductores
Fotodiodos
corriente inyectada
Células solares Compuesto Color Long. de onda
LED Arseniuro de galio
Infrarrojo 940nm
(GaAs)
Arseniuro de galio y
Rojo e infrarrojo 890nm
aluminio (AlGaAs)
Arseniuro fosfuro de Rojo, naranja y
630nm
galio (GaAsP) amarillo
Fosfuro de galio (GaP) Verde 555nm
Nitruro de galio (GaN) Verde 525nm
Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul
Nitruro de galio e indio
Azul 450nm
(InGaN)
Carburo de silicio (SiC) Azul 480nm
Diamante (C) Ultravioleta
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
30. LEDS
Menos dopado p suficiente fino para que los fotones producidos
puedan escapar sin ser reabsorbidos
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares
LED Contacto metálico
Emisión de luz Óxido +
-
Capa n
Capa p
Sustrato n
Microelectrónica – LEDS
Dispositivos fotónicos
31. LOS LEDS
- Uniones entre dos semiconductores de distinto gap
- Necesarios para LEDS de alta intensidad
- Se inyectan e- desde el n+ a la p donde se recombinan con los
Introducción h+ provocando la emisión de fotones
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares N+ P P
LED
AlGaAs AlGaAs AlGaAs
Microelectrónica – LEDS
Dispositivos fotónicos
32. LOS LEDS
-Tienen diferente tipo de electroluminiscencia que los leds
- No necesitan un material de alta calidad
Introducción - Formados por:
Fotoconductores
Fotodiodos -Semiconductor policristalino de banda ancha
Células solares - Dopado con un ión que actúa como centro luminiscente
LED
- El color depende del dopante
- Al aplicar un voltaje en los extremos hace que los e- inyectados
por los electrodos sean acelerados y cuando estos e-
interaccionan con los iones dopantes desprenden la energía
absorbida en forma de luz.
-Según el tipo de material hay de dos tipos:
- En polvo
- De película delgada
Microelectrónica – LEDS
Dispositivos fotónicos
33. LED’S BLANCOS vs LED’S RGB
LED blanco. LED azul cubierto de fósforo convierte parte de la
luz azul en luz amarilla. Este espectro combinado se percibe como
luz blanca.
Introducción
Fotoconductores LED RGB consta de 4 patillas: el colector común, el color rojo (Red),
Fotodiodos el verde (Green) y el azul (Blue). Cambia el color en función de la
Células solares
LED intensidad.
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
34. LED’S BLANCOS vs LED’S RGB
En esta figura se muestra la gama de colores del sistema NTSC
(National Television System Committee) frente a la gama de los
LCDs retroiluminados mediante LEDs RGB, LEDs blancos y CCFL
Introducción (cold-cathode fluorescent lamp)
Fotoconductores
Fotodiodos
Células solares
LED
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
35. LED’S BLANCOS vs LED’S RGB
LED blanco.
• Reproduce hasta un 70% de la gama de colores del NTSC
en un LCD.
Introducción • Picos en el espectro de color no ideal para la
Fotoconductores reproducción fotográfica.
Fotodiodos
Células solares • Más sencillos de manejar.
LED
LED RGB
• Reproduce hasta un 100% de los colores del NTSC.
• Mejor gama de colores al compaginarlos con filtros de
colores.
http://www.break.com/usercontent/2009/7/led-flex-flex-strip-
strip-light-led-light-led-rgb-strip-led-821590.html
Microelectrónica – Dispositivos fotónicos