Optoelektronické polovodičové součástky

Optoelektronické polovodičové součástky směr převodu energie optická na elektrickou elektrická na optickou solární články fotodetektory LED LASER

Mechanizmy absorpce a emise fotonů mezipásové přechody c0 λ g = ν g = h c E g 0 = 1.24 E g přechody mezi příměsí a pásem přechody volných nosičů excitonové přechody excitony mělké donory hluboké donory mělké akceptory hluboké akceptory

Vodíkový model excitonu volný exciton vázaný exciton r * bind 13.6 mred 1 ex = 2 2 n m0 ε = 0.529n 2 ( εm0 / m red E kde m 1 1 = + red me 1 m ) h D o X A o X

Absorpční koeficient energie fotonu (ev) 5 4 3 2 1 10 8 1 0.9 0.8 0.7 1 10 7 Ge In 0.7 Ga 0.3 As 0.64 P 0.36 1 10 6 α (m-1) Si GaAs InP In 0.53 Ga 0.47 As 1 10 5 a-si:h 1 10 4 1 10 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 vlnová délka (µm) I( z ) = I e x p [ α ( λ ) z ] in c s

Luminescence Katodoluminescence - dopad urychlených elektronů na katodu Fotoluminescence: rekombinace světlem excitovaných elektronů Elektroluminescence: rekombinace injektovaných nosičů na pn přechodu (LED, Laser) Chemiluminescence: rekombinace elektronů excitovaných chemickou reakcí živé organismy

Zákony zachování při mezipásové absorpci a emisi fotonů zákon zachování hybnosti: E 2 - E1= hν p2 - p1= hν = c h λ k 2 - k1= 2 π >> λ 2 π a parabolická aproximace pásů: E E1= 2 2 h k 2 m 2 p + E g + 2 h k 2 m 2 n = h ν

Zákony zachování při mezipásové absorpci a emisi fotonů vlnový vektor: k 2 = 2 m h (h - Eg) r ν 2 kde 1/m r = 1/m n + 1/m p. pro energie hladin E 1 a E 2, které se uplatní při interakci s fotonem: E 1 E = E 2 v = E - m m c r p m + m r n (hν - E (hν - E g g )= E ) 2 - hν

Absorpční koeficient v rovnováze Absorpční koeficient : 1/2 α( ν )= D1(hν - E g ) [f( E1 ) - f( E2 )] V nedegenerovaném polovodiči : α( ν )= 2 2 c m τ r 3/2 r 1 (hν ) 2 (hν - E g ) 1/2 S rostoucí teplotou klesá rozdíl f(e 1 ) - f(e 2 ) pod hodnotu jedna, takže absorpční koeficient se zmenšuje.

Opticky sdružená hustota stavů de ρ( ν )= 2 ρ c( E 2 dν ) počet stavů připadajících na jednotkový objem a jednotkovou frekvenci: ρ( ν )= h m m n r ρ ( c E 2 )= 3/2 (2 mr ) (h ν - 2 π h E g ) 1/2

Pravděpodobnosti obsazení Pravděpodobnost f e (v), že je splněna podmínka pro emisi fotonu: f ( )= f ( E2 ) [1- f ( E1 e ν c v )] pravděpodobnost f a (v), že je splněna podmínka pro absorpci fotonu: f ( ν )= [1- f ( E2 )] f ( E1 ) a c v

Pravděpodobnosti přechodů Zářivý přechod mezi dvěma diskrétnimi hladinami E 1 a E 2 je charakterizován účinným průřezem přechodu : σ ( ν )= 2 λ 8 π τ r g( ν ) Rozšíření vlivem srážek elektronů s fonony je dáno tzv. funkcí tvaru čáry. (Lorentzovo rozdělení) se šířkou: 1 ν = π t p hustota pravděpodobnosti spontánní emise fotonu : P sp 1 ( ν ) dν = τ r g( ν ) dν

hustota pravděpodobnosti stimulované emise : ν ν π τ λ ν ν σ ν ν ν ν d ) g( 8 = ) d ( = ) d W ( r 2 i Φ Φ rychlost spontánní emise při frekvenci v: ν ν ρ ν ν τ ν 0 0 0 e r sp d ) ( ) ( f ) ( g 1 = r 0 ) ( f ) ( 1 )= ( r e r sp ν ν ρ τ ν Jestliže je rozšíření následkem srážek v podstatně menší než šířka funkce f e (v 0 ), může být g v0 (v) aproximována pomocí δ(v - v 0 ): ) ( f ) ( 8 )= ( r e r 2 st ν ν ρ π τ λ ν ν Φ ) ( f ) ( 8 )= ( r a r 2 ab ν ν ρ π τ λ ν ν Φ

Spektrální hustota spontánní emise při tepelné rovnováze ( ν e )= f( E ) [1- f( f 2 1 E )] f( E x )= exp(- E x - E kt F ) f e ( ν )= exp( - E2 - E kt 1 )= exp( - hν ) kt a tedy: r sp ( ν )= D 0 (hν - E g ) 1/2 exp( - hν - E kt g ), hν E g kde D 0 = (2 mr ) π h 2 τ r 3/2 exp( - Eg ) kt

Koeficient zesilení při kvazirovnováze 2 d Φν (z) λ = dz 8 π τ r ρ( ν ) [ f e ( ν ) - f a ( ν )] Φ ν (z)= γ ( ν ) Φ Koeficient zesílení: λ γ 0( ν )= ρ( ν ) f g ( ν ) 8 π τ r kde Fermino faktor inverze je dán vztahem: kde: 2 0 ν (z) f ( ν )= f ( ν ) - f ( ν )= f ( E2 ) - f ( E1 ) g e a 1/2 γ ( ν )= D1(hν - E g ) f ( ν ), h > E g 0 g ν 3/2 2 2 mr λ D1= 2 h τ r polohy kvazi-fermiho hladin jsou závislé na stupni excitace nosičů v polovodiči. Tento faktor je kladný (čemuž odpovídá inverze obsazení a dosažení zisku) pouze tehdy, když E Fn -E Fp > hv. c v

A III B V polovodiče: plná čára: přímý polovodič čárkovaná čára: nepřímý polovodič

AlGaAs E ( ev) = 1.423 + 1.36x + 0.22x Γ E X( ev) = 1.906 + 0.207x + 0. 55x 2 2 přímý polovodič pro x < 0.4in Ga x Al 1-x As index lomu Ga x Al 1-x As

Ga x In 1-x As y P 1-y pro x = 0.47y, 0 y 1; mřížkově přizpůsobený InP

AlGaInAs/InP E g ( ev) = 0.76 + 0.49x + 0.2x 2

AlGaInP E X : indirect E Γ : direct (Al x Ga 1-x ) 0.52 In 0.48 As je přizpůsoben GaAs EΓ( ev) = 1.89 + 0. 64x E (ev) = 2.25 0. 09x X +

GaAsP dotace dusíkem - zvýšení kvantové účinnosti E g ( ev) = 1.428 + 1.125x + 1.952x 2 Absorpční koeficient

A II B VI polovodiče široké spektrum E g více iontové vazby obtížná p dotace obtížné ohmické kontakty

A IV B IV polovodiče SiC 2H and SIC 6H: polymorfie

SiC: SiC 6H SiC 2H AB C AB C A A B C A B 3C-SiC: kubická sfaleritová mřížka

CVD, MOCVD na safíru (Al 2 O 3 GaN struktura GaN, AlN, a InN wurcitová (2H), metastabilní sfaleritová p-typ dopant: Mg) ohmické kontakty Au/Ni, Ti/Al

Fotodetektory Mechnismus detekce detekce fotonů detekce tepla Polovodičové detektory generace párů e-h dopadem světla (fotonu) homogenní polovodič fotoodpor součástky s pn přechodem - pn dioda, pin dioda, fototranzistor Fotoemisní detektory emise elektronů dopadem světla - fotonásobič Termální detektory změna teploty při dopadu záření změna el. vlastností - pyroelektrický detektor

Parametery fotodetektorů Spektrální závislost všechny parametry se mění s vlnovou délkou světla přizpůsobení zdroje světla a detektoru Kvantová účinnost (η, QE) η = (n e /n ph ) x 100% n e počet generovaných fotoelektronů n p počet dopadajících fotonů typicky 5-30%

Parametery fotodetektorů Citlivost (S) velikost el. signálu na dopadající oprický výkon S = i d /Φ [A W -1 ] S = V d /Φ [V W -1 ] Doba odezvy (t r ) čas náběžné hrany výstupního signálu pro pravoúhlý vstupní impuls nutno volit t r ~1/10 nejkratšího detekovaného impulsu

Parametery fotodetektorů Noise Equivalent Power (NEP) signál bez osvětlení určuje dolní detekční limit NEP definován jako výkon dopadajícího záření, které vytváří stejný výstupní signál, jako je úroveň šumu [W/ Hz] závisí na šířce pásma, ploše detektoru a teplotě doprý NEP : 10-12 -10-14 W/ Hz Detektivita (D*) souvisí s 1 / NEP normalizována na plochu detektoru

Fotoodpor

V rovnováze: nadbytečné nosiče: Fotoodpor σ 0 = e ( µ n n0 + µ p p0 ) σ = e [ µ n ( n0 + δn)+ µ p ( p0 + δp)] zachování elektrické neutrality: V ustáleném stavu G=R: Změna vodivosti vlivem dopadu záření : G L δp = τ p δn= δp σ = e δp ( µ n + µ p ) Dopad záření vyvolá v polovodiči fotoproud o velikosti: I L = σ E A

dostaneme: I Γ = e G ( µ + L Lτ p n µ p ph I = L = e G I e G Fotoodpor Průletová dráha elektronu vzorkem: L je vzdálenost mezi elektrodami. fotoproud : L L τ t p n (1+ τ p = A L t n L ) E A µ µ p n (1+ ) A L µ µ p n ) t n = L µ E zisk fotoodporu (podíl fotoproudu ku náboji generovanému zářením v polovodiči za jednotku času): n

Fotodiody ochuzená oblast vysoká impedance malý šum fotovoltaický režim bez předpětí nulový proud za tmy vyšší citlivost pro malé signály fotovodivostní režim závěrné předpětí nižší kapacita vyšší pracovní frekvence

Fotodioda PN světlo Koncentrace náboje Elektrické pole Pásový diagram

Fotodioda PN j L = e G L dx G L je rychlost optické generace párů elektron-díra. Integruje se přes celou ochuzenou oblast o šířce W. V případě, že je generace konstantní v celé oblasti prostorového náboje, platí: j L = e G L W fotoproud diody PIN : j L = e G L dx= e W 0 Φ 0 α e -α x dx= e Φ 0 (1- e α W )

Fotodioda PN 0 V i ph i ph V ph V ph I FOTOVODIVOSTNÍ REŽIM Popt V r V=0 FOTOVOLTAICKÝ REŽIM V

Struktura slunečních článků kontakty P vrstva PN přechod

Pracovní bod Current vs Voltage Plot

Účinnost Fotony mohou: být odraženy na povrchu projít materiálem být absorbovány materiálem zužitkované světlo

Účinnost teplo hv E g E ph > E g hv E g nevyužito E ph < E g

Účinnost Max. teoreticky ~28% Si = 24.7% GaAs = 26%

Aplikace

Generace slunečních článků I. Generace Krystalický Si a poly-si ~15% účinnost, ~ $3/W p II. Generace tenké vrstvy CdTe, CuInSe 2 (10-15)%, ~ $(1-2)/W p III. Generace III-V polovodič (400-1000)x koncentrace světla velký výkon < $1/W p.

I. Generace

II. Generace účinnost ~ 7%...1/2 Si cena...1/4 Si

III. Generace In y Ga 1-y As články s více přechody optimalizace absorpce koncentrace záření

GaAsP/InGaAs Strain-Balanced QWSC bez dislokací ladění šířkou jámy

Sluneční články z amorfního Si a-si:h je přímý polovodič E g = 1.6 1.7 ev velmi krátká doba života minoritních nosičů náboje nutné silné pole pro extrakci generovaných nosičů

PIN fotodioda I ph V bias No P opt P opt > 0 širší oblast detekující fotony vyšší citlivost

PIN fotodioda

Lavinová fotodioda více dotovaná vyšší závěrné napětí ( > 50 V ) lavinové násobení generovaných nosičů vyšší zisk vyšší šum

Lavinová fotodioda koeficient násobení: M = I I M p

Schottkyho fotodioda velmi rychlé - až 300 GHz

Fototranzistor Photodioda se zesílením generace na přechodu B/E intenzita osvětlení místo I B vyšší proud za tmy vyšší parazitní kapacity nižší frekvence

Fototranzistor VCC VCC C Q2 Q1 Vout E

Fototranzistor Emitor okno Báze n p-typ n-typ Kolektor

Fototranzistor zesílení fotoproudu tranzistorovým jevem: I C = α I E + I Vzhledem k tomu, že báze není zapojena je I C = I E : L I C = I L = (1+ β ) 1 -α I L

Optrony Elektrická izolace Izolační napětí > kv kapacita < 1 pf U1 A U2 C K E Q1

Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP)

Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP)

Aplikace QWIP

Aplikace QWIP 640x512 pixel IR kamera

Vakuový fotonásobič

Fotokatody

Polymerové pole fotodiod Elektrody fotocitlivý polymer V transparentní electrody sklo dopadající světlo

Polymerové pole fotodiod

RTG senzorové pole 0.15 RTG Fosfor Polymerový senzor citlivost (A/W) 0.1 0.05 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 vlnová délka (nm)

RTG senzorové pole

Šum fotodetektorů zdroje šumu: fluktuace rychlosti nosičů fluktuace počtu nosičů tepelná excitace nosičů - dark current. excitace z příměsí tunelování, svodové proudy chlazení