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DISPOSITIVOS FOTÓNICOS



                                Nadège Barrage
                         Tristan Brillet de Cande
                          Cristina Zúñiga Arnaiz
                           Belén Guijarro Bueno
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
LOS FOTODIODOS

                                 Película anti reflectante
                           hv
                                                               Aislante
                                                               (SiO2)
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos                                                    Contacto
Células solares
LED
                                                              metálico




                                Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
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
LOS FOTODIODOS


                                   F=0



                                                                                 E2
Introducción
Fotoconductores
Fotodiodos             20nm
Células solares                                                                  EF
LED
                  hv               hv                     hv
                                                                                 E1


                                  4nm

                              50 pozos (PCM)




                                         Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
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
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
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
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
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
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
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
LOS LEDS

                                P       ZEC                    N



                           e-
Introducción      Ec
                           hv
Fotoconductores
Fotodiodos        Ef
                                                                    hv
Células solares   Ev
LED                    h+

                                       ɛ



                       +               V                              -


                                               Microelectrónica – Dispositivos fotónicos
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
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
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
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
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
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
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
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

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DISPOSITIVOS FOTÓNICOS - Microelectronica

  • 1. DISPOSITIVOS FOTÓNICOS Nadège Barrage Tristan Brillet de Cande Cristina Zúñiga Arnaiz Belén Guijarro Bueno
  • 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