Optoeletrônica - fotodetectores e fotoemissores Germano Maioli Penello Universidade do Estado do...

Optoeletrônica - fotodetectores e fotoemissores

Germano Maioli Penello

Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJFaculdade de Engenharia - FEN

Departamento de Eletrônica e Telecomunicações - DETEL

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Optoeletrônica

Óptica + eletrônica

http://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Side_of_the_Moonhttp://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93ptica_geom%C3%A9trica

http://en.wikipedia.org/wiki/Very-large-scale_integrationhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica

Junção de duas áreas do conhecimento

Área extremamente multidisciplinar!

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Optoeletrônica


http://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Side_of_the_Moonhttp://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93ptica_geom%C3%A9trica

http://en.wikipedia.org/wiki/Very-large-scale_integrationhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica

Junção de duas áreas do conhecimento

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Como juntar as duas áreas do conhecimento?

Qual fenômeno da natureza existe a interação entre a luz e o elétron?Início da mecânica quântica.

•Radiação de corpo negro

Por que o ferro brilha quando aquecido?

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•Absorção e emissão de um átomo

http://en.wikipedia.org/wiki/Spectral_line

Raias de emissão

Raias de absorção

Por que as cores das lâmpadas são diferentes?

Lâmpada de sódio Lâmpada de mercúrio

http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury-vapor_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-vapor_lamp

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•Efeito fotoelétrico

Por que os elétrons são ejetados quando jogamos luz?

http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect

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OptoeletrônicaAproveitar o fenômeno de interação da luz com a matéria para criar dispositivos

Para poder criar novos dispositivos, precisamos primeiramente entender o que está acontecendo nestes fenômenos!



•Efeito fotoelétrico

Raias de emissão

Raias de absorção

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Absorção e emissão de luz

http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model

Raias de emissão Raias de absorção

Como explicar que um átomo emite e absorve luz? E que diferentes átomos tem espectros distintos?

Modelo de Bohr para o átomo

n=1

n=2

n=3

E

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Modelo de Bohr para o átomo

n=1

n=2

n=3

E

O confinamento eletrônico é importante para que exista níveis de energia discretos! E são os níveis de energia discretos que explicam as raias.

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n=1

n=2

n=3

E

n=1

n=2

n=3

E

Emissão e absorção de luz depende da diferença de energia entre os níveis

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http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_atom

Modelo de Bohr para o átomo Schroedinger

O modelo de Bohr é ultrapassado! Ajuda a compreender o fenômeno, mas tem limitações.

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Átomos vs. cristaisAté o momento só falamos de átomos e os níveis de energia! Para criar um dispositivo, utilizamos um conjunto grande de átomos na forma de um cristal.

Ao agrupar os átomos na forma de um cristal, observamos novas propriedades para o elétron.

Qual a diferença entre um condutor, um isolante e um semicondutor?

http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon

Arranjo cristalino do Silício Bandas de energia

http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M05_C02/co/Contenu.html

Região proibidaRegião

proibida

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Átomos vs. cristais

http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon

Bandas de energia

http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M05_C02/co/Contenu.html

n=1

n=2

n=3

E

Níveis de energia

Átomos Cristais semicondutores

http://www.infoescola.com/quimica/atomo/

Emissão e absorção de luz depende da diferença de energia entre os estados

Região proibida

Região proibida

Região proibida

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Átomos vs. cristais

http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M05_C02/co/Contenu.htmlhttp://www.infoescola.com/quimica/atomo/

Não temos controle sobre as propriedades de um átomo mas temos controle sobre as propriedades de um cristal!

É esse controle que nos permite criar dispositivos com propriedades nunca antes vistas!

Podemos controlar os elementos que formam o cristal, o tamanho do cristal, a concentração de portadores, …

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Dispositivos optoeletrônicos

Com o entendimento dos fenômenos naturais, podemos criar dispositivos com propriedades inéditas controlando as propriedades da luz e do elétron

simultaneamente.

Lasers

http://en.wikipedia.org/wiki/Laser

LEDs

http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

CCD ou CMOS

Os dispositivos se dividem em dois grupos: emissores e detectores

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FotoemissoresDiodo emissor de luz (LED)

n=1

n=2

n=3

E

Átomo Cristal semicondutor

Note a similaridade entre a emissão do átomo e a do cristal


Junção pn (polarização direta)

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LED


A cor do LED depende do cristal utilizado na sua fabricação

Infravermelho e vermelho – AlGaAsVerde – GaPAzul – InGaN

Cada cristal tem uma estrutura de banda diferente e, consequentemente, emite uma cor diferente. Lembre-se do exemplo de átomos!

Junção pn (polarização direta)

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LASERAmplificação de luz por emissão estimulada da radiação

Propriedades da luz emitida por um laser que não são obtidas num LED:

Coerência espacial (colimação), coerência temporal (monocromaticidade)

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LASERE

Emissão espontânea

E

Emissão estimulada

LED LASER

O fenômeno de emissão estimulada é utilizado para a construção de um laser

Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação

Propriedades da luz emitida por um laser que não são obtidas num LED:

Coerência espacial (colimação), coerência temporal (monocromaticidade)

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LASER

Construindo um laser:


Cristal

Espelho parcialmente refletor

Espelho totalmente refletor

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LASER



Cristal



E

Emissão espontânea

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LASER



Cristal



n=1

E

Emissão estimulada

Luz emitida pelo laser

Meio de ganho

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LASER



Cristal



n=1

E

Emissão estimulada


Meio de ganho

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LASER



Cristal




Quando o sistema entra em um equilibrio dinâmico de perdas e ganhos, o laser entra em uma operação de emissão de luz constante.

Como explicar o laser pointer verde?

Meio de ganho

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LED vs. LASERLargura espectral

http://www.thefoa.org/tech/ref/appln/transceiver.html

O LED pode ser considerado monocromático para algumas aplicações, mas o LASER é extremamente monocromático ao ser comparado com o LED.

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Fotodetectores

Câmeras fotográficasSensor de proximidade

Célula fotovoltaica (solar)

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Fotodetectores

n=1

n=2

n=3

E

Átomo Cristal semicondutor

Note a similaridade entre a absorção do átomo e a do cristal

Junção pn (polarização reversa)

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Fotodiodos

Como alterar a “cor” (comprimento de onda) a ser detectada?

Junção pn (polarização reversa)

Responsividade do Sihttp://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode

O Si absorve no espectro visível! Um dos motivos de termos camêras fotográficas digitais cada vez mais baratas.

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InfravermelhoAté o momento, discutimos a emissão e detecção. Apenas frisamos utilizações na região de radiação visível do espectro eletromagnético

http://www2.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html

Espectro IR - comprimento de onda entre 700 nm e 1mm

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InfravermelhoPra que utilizar detectores e emissores em um espectro que não é visível?

http://en.wikipedia.org/wiki/Remote_control

Controle remoto

Galaxia de andrômedra (imagem feita em = 24m)

Detecção de gases

http://rebar.ecn.purdue.edu/ect/links/technologies/other/infraredgassensor.aspx

Indústria

Prevenção de falhas

Segurança

Medicina

Imagens térmicas

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Infravermelho

Responsividade do Si

O Si não pode mais ser utilizado para a absorção no IR (acima de 1000 nm)

Espectro IR - comprimento de onda entre 700 nm e 1mm

Controle remoto – comprimento de onda típico é de 940 nm

http://en.wikipedia.org/wiki/Remote_control

Não era pra ser invisível?

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InfravermelhoComo o Si não detecta acima de 1000 nm, utilizamos outros materiais semicondutores

InGaAs, InAlAs, InP, …

Criamos heteroestruturas que nos permite um controle ainda maior dos estados eletrônicos

Homoestrutura HeteroestruturaApenas um material é utilizado Mais de um material é utilizado

Mais de um gap de energiaApenas um gap de energia

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Fotodetector de poços quânticos

Banda de condução

Banda de valência

E1

E2

H1

H2

Absorção interbanda

Absorção intrabanda


Controlando a espessura dos materiais, sintonizamos as transições ópticas.

Dois materiais semicondutores com diferentes gaps.

Heteroestrutura do tipo Iz

E

Confinamento eletrônico em um poço de potencial.

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Fotodetector de infravermelho de poços quânticos (QWIP)

Banda de condução

Banda de valência

E1

E2

H1

H2

Absorção interbanda



Faixa de absorção no infravermelho médio

3~6 m 400~200 meV.

•Poços de InGaAs

•Barreiras de InAlAs

z

E

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Fotodetector de infravermelho de poços quânticos (QWIP)

Banda de condução

E1

E2Absorção intrabanda

•Poços de InGaAs

•Barreiras de InAlAs

z

E

Faixa de absorção no infravermelho médio

3~6 m 400~200 meV.

Note como estes níveis de energia são similares aos de um átomo!

Aumento do confinamento eletrônico níveis discretos seletividade

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Inovações tecnológicas

•Fotodetectores de poços quânticos•Fotodetectores de pontos quânticos•Fotodetectores de cascata quântica

5 cm

2 cm

3 mm

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Laser de cascata quânticaNon linear intracavity QCL (3.2 µm / 6.4 µm)

http://qcllab.princeton.edu/

LASERs super compactos com alta potência que emitem no infravermelho!

Acoplamento de diversos poços quânticos para controlar os estados eletrônicos.Engenharia de bandas




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30 x 40 pixels

Câmera auto alimentável – publicada por um grupo da universidade de Columbia no mês passado

Os sensores da câmera funcionam como células solares e detectores intercaladamente!

http://www.cs.columbia.edu/CAVE/projects/self_powered_camera/http://engineering.columbia.edu/columbia-engineer-invents-video-camera-runs-without-battery

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ResumoOptoeletrônica


Envolve duas grandes áreas do conhecimento:

• Eletromagnetismo (Equações de Maxwell, propagação, geração, modulação e detecção da luz)

• Mecânica quântica (Estrutura de bandas dos semicondutores, junções pn, heteroestruturas,

confinamento eletrônico)

O entendimento dos fenômenos da natureza nos permite criar dispositivos inéditos e aprimorar a tecnologia atual!

Área extremamente multidisciplinar!

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