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Fundamentos de Electrnica
TeoriaCap.7 Dispositivos Optoelectrnicos
Jorge Manuel Torres PereiraIST-2010
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NDICE
CAP. 7 DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS
Pg.
7.1 Introduo ................................................................................................................... 7.1
7.2 Noes de Optoelectrnica ........................................................................................ 7.1
7.3 Fotoresistncias .......................................................................................................... 7.5
7.4 Fotododos ................................................................................................................... 7.8
7.5 Clulas Solares .......................................................................................................... 7.10
7.5.1 Efeito fotovoltaico em junes p-n .............................................................. 7.11
7.5.2 Efeito das resistncias srie e paralelo ........................................................ 7.17
7.5.3 Efeito da temperatura .................................................................................. 7.18
7.5.4 Clulas solares com rendimentos elevados ................................................. 7.19
7.5.5 Juno Schottky, MIS (Metal-Isolante-Semicondutor) ............................ 7.23
7.6 Fototransistores ........................................................................................................ 7.26
7.6.1 Tratamento qualitativo ................................................................................ 7.26
7.6.2 Tratamento quantitativo .............................................................................. 7.28
7.7 Fototiristores ............................................................................................................. 7.29
7.8 Dodos emissores de luz (LEDs) .............................................................................. 7.30
7.9 Acopladores pticos ................................................................................................ 7.35
7.9.1 Estrutura e princpio de funcionamento .................................................... 7.35
7.9.2 Caracterstica ( ) teF
C CE I CI U
=..................................................................... 7.38
7.9.3 Caracterstica de Transferncia ( ) teCE
C F U CI I
= ...................................... 7.39
7.9.4 Influncia da temperatura na relao de transferncia de corrente ....... 7.397.9.5 Influncia de uma resistncia externa EBR entre Emissor e Base .......... 7.40
7.10 Laser de Semicondutor ............................................................................................ 7.41
7.10.1 Principio de funcionamento dos lasers ....................................................... 7.41
7.10.2 Estruturas para os lasers ............................................................................. 7.48
7.10.3 Caracterstica potncia luminosa-corrente e
caracterstica espectral dos LEDs e LASERs ............................................ 7.50
7.10.4 Lasers DFB e DBR ....................................................................................... 7.55Bibliografia ......................................................................................................................... 7.56
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS
7.1. Introduo
Os dispositivos optoelectrnicos englobam um conjunto muito variado de dispositivos
cujo princpio de funcionamento assenta na interaco entre a radiao electromagntica e os
electres dos materiais utilizados no seu fabrico. Daremos especial ateno aos dispositivos
de materiais semicondutores, sendo de particular importncia:
1)
Os fotodetectores: convertem num sinal elctrico as alteraes das suas propriedadeselctricas resultantes da incidncia de luz. Ex: fotoresistncias, fotododos,
fototransistores, fototiristores;
2)Os emissores de luz: transformam energia elctrica em radiao luminosa. Ex:
dodos emissores de luz (LED Light Emitting Diode) e fontes coerentes de radiao
(LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation);
3)Os conversores optoelectrnicos: transformam energia luminosa em energia
elctrica. Ex: clulas solares;
4)Os acopladores pticos: promovem a ligao ptica entre dois circuitos (o emissor e
o detector de luz) que se encontram isolados galvnicamente;
7.2. Noes de optoelectrnica
A emisso e a absoro de luz em dispositivos optoelectrnicos, pode ser explicada
fisicamente a partir da interaco entre os electres nos materiais, normalmente
semicondutores, e os quanta de energia electromagntica designados geralmente por fotes.
Interessa-nos em particular a radiao cujos comprimentos de onda se situam entre 210 e
210 m , o que corresponde ao espectro que vai do ultravioleta ao infravermelho
respectivamente, Fig. 7.1.
Das relaes fundamentais da Fsica Quntica, a frequncia f da radiao est
relacionada com a energia dos fotes atravs da constante de Planck h:
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.2
( ) /W h f hc= = (7.1)
onde c a velocidade de propagao da luz no vcuo eo comprimento de onda respectivo.
ultravioleta infravermelho
visvel
( )m
( )f Hz
( )W eV
210 110 10210
143 10 133 10 123 10 113 10103 10
21.24 10 1.24 10 1.24 11.24 1021.24 10
0, 4 0,8
Fig. 7.1 Relao entre os valores de ,f, e Wno intervalo que vai do ultravioleta ao infravermelho.
Como conhecido, os estados de movimento para os electres num slido cristalino
encontram-se quantificados. Nas transies de electres entre estados, a energia W do sistema
assim como a quantidade de movimento p= k , descrita pelo vector de onda k, devem ser
conservadas. As interaces envolvidas podem ser de vrios tipos. Salientam-se as interaces
entre electres e a radiao electromagntica (electro-foto) e as interaces entre electres e
a rede cristalina (electro-fono). Nas interaces electro-fono a variao de energia
envolvida , em geral, muito pequena, da ordem da dezena de meV, embora a variao de
momento ppossa ser aprecivel. Inversamente, nas transies electrnicas que envolvam a
emisso ou absoro de fotes, a variao de energia pode ser significativa, sendo desprezvel
a variao de momento. Assim, por incidncia de uma radiao electromagntica de
frequncia f , os fotes incidentes promovem a gerao de pares electro-buraco se a
variao de energia associada W hf = for superior altura de banda proibida, resultando
num aumento da condutividade do material. Inversamente, os processos de recombinao
esto associados emisso de fotes cuja energia hf igual variao de energia do
electro. Designa-se por transio directa aquela que no envolve modificao do momento,
Fig. 7.2 (a). Os semicondutores de banda directa so aquelas em que o mnimo de energia da
banda de conduo e o mximo de energia da banda de valncia se caracterizam pelo mesmo
valor de k. O Arsenieto de Glio, GaAs, um exemplo de semicondutor de banda directa. Por
transies indirectas so designadas aquelas que tambm exigem a variao do momento e,
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS 7.3
portanto, esto associadas presena de fones, Fig. 7.2 (b). o caso das transies
electrnicas no Silcio para energias prximas da altura de banda proibida. Estes processos
so menos provveis do que no caso das transies directas, pois envolvem um maior nmero
de partculas.
W
k
( )CW k
hf W= W
( )VW k
(a)
W
k
( )CW k
hfW
( )VW k
(b)
hk
Fig. 7.2 Materiais semicondutores de (a) banda directa e (b) banda indirecta.
Se os fotes da radiao incidente tiverem uma energia superior altura da banda
proibida, GW , existe uma transio entre os estados da banda de valncia, onde existem
muitos electres ligados, e os estados da banda de conduo, onde existem muitos estados
vagos. Na banda de conduo o equilbrio entre os electres promovidos a estados de elevada
energia obtido por trocas de energia com a rede cristalina, Fig. 7.3. Se os fotes tiverem uma
energia inferior altura da banda proibida no pode haver criao de pares electro-buraco
por transio entre bandas. O material diz-se transparente radiao. Na prtica verificam-
se transies electrnicas que esto associadas quer a interaces com os estados profundos
da banda proibida (devidos s impurezas de substituio) quer a transies dentro da mesma
banda. Em qualquer dos casos a probabilidade de absoro de fotes muito baixa.
Consideremos um fluxo monocromtico de fotes de frequncia f e que incide num
material semicondutor segundo uma dada direco x. Em primeira anlise podemos admitir
que a taxa de absoro dos fotes com a distnciax proporcional ao nmero de fotes:
3 1( )d
x m sdx
= (7.2)
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.4
Transmisso de energia
rede cristalina
Absoro de
um foto
CW
GW
VW
Ghf W>
Fig. 7.3 Processos associados absoro dum foto.
em que a constante de proporcionalidade designada por coeficiente de absoro dos fotes
para o material considerado. A resoluo de (7.2) conduz a uma diminuio exponencial donmero de fotes com a profundidade de penetrao no semicondutor, Fig. 7.4. Este
andamento de ( )x permite interpretar o inverso do coeficiente de absoro como a distncia
que em mdia os fotes percorrem no semicondutor at serem absorvidos. usual considerar
que os fotes incidentes so praticamente todos absorvidos numa espessura de semicondutor
da ordem de 4/.
Fig. 7.4 Evoluo de ( )x .
Admitindo que cada foto absorvido origina um par electro-buraco, o ritmo de gerao por
efeito fotoelctrico interno ser dado por:
3 10
xfe
dG e m s
dx
= = (7.3)
sendo 0 ( 0)x = = , representa assim a razo entre o ritmo de gerao por efeito
fotoelctrico e o fluxo de fotes ( )x .
( )x
0
1/ x0
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS 7.5
Na Fig. 7.5 mostra-se a dependncia de com a energia para vrios materiais
semicondutores. de realar que, para os materiais de banda directa o valor de varia
bruscamente quando a energia dos fotes toma valores prximos dos da altura da banda
proibida do semicondutor.
Fig. 7.5 Coeficiente de absoro para vrios materiais semicondutores.
Os smbolos dos dispositivos fotoelctricos so semelhantes aos dos seus anlogos
normais, acompanhados de uma seta que alude emisso ou recepo de radiao.
7.3. Fotoresistncias
As fotoresistncias so feitas de material semicondutor e as suas aplicaes estorelacionadas com o aumento da condutividade devido aco de uma iluminao adequada.
Como se viu no pargrafo anterior o efeito fotoelctrico interno s se manifesta se a energia
dos fotes for maior que a altura da banda proibida. Por sua vez. a sensibilidade das
fotoresistncias ser tanto maior quanto maior o valor da resistncia na ausncia de
iluminao. Neste aspecto os semicondutores intrnsecos so mais vantajosos que os
semicondutores extrnsecos.
Se admitirmos que o material tem uma seco constante S e comprimento L, o valor da
resistncia dado por:
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.6
1LR
S=
(7.4)
em que ( )n pq n p = + .
Sob iluminao o ritmo total de gerao de pares electro-buraco possui uma
contribuio da agitao trmica da rede cristalina, 0 0terG rn p= , e uma contribuio da
iluminao, feG . As concentraes totais de electres e buracos apresentam um acrscimo em
relao ao valor de equilbrio termodinmico que, para iluminao uniforme, o mesmo para
os dois tipos de portadores :
0
0
n n n
p p n
= +
= +
Nessas condies fcil verificar que:
o = + (7.5)
onde ( )0 0 0n pq n p = + a condutividade do material na ausncia de iluminao e
( )p nq n = + representa o efeito da radiao incidente na condutividade.
Em regime estacionrio, com iluminao:
( )( ) 20 0
0 0
fe th n n iG R G r n p rn
rn p
= = + +
= 2 20 0 irn n rp n r n rn+ + +
( ) 20 0r n p n r n= + +
(7.6)
Consideremos as duas seguintes situaes:
1) Injeco fraca de portadores
Nessas condies (7.5) e (7.6) mostram que o ritmo de gerao por efeito fotoelctrico ea condutividade so proporcionais.
( )( )0 0
p n feGq
r n p
+ =
+ (7.7)
Para uma dada tenso U aplicada a variao de corrente observada por aco da
iluminao dada por:
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS 7.7
( )
( )0 0
p n feUSq GU SI
L L r n p
+ = =
+ (7.8)
Define-se rendimento da fotoconduo como a razo entre o nmero de pares electro-
-buraco criados e o nmero de fotes absorvidos:
( )( )( )2 0 0
p n
fe
UI
L r n pq G SL
+ = =
+ (7.9)
A expresso (7.9) mostra que o rendimento da fotoconduo maior nos
semicondutores intrnsecos do que nos semicondutores extrnsecos. No entanto a diminuio
de ( )0 0n p+ piora as respostas dinmicas dos dispositivos uma vez que aumenta os tempos
de vida mdio dos portadores. Uma outra maneira de aumentar o rendimento diminuir o
comprimento dos dispositivos mas tambm aqui se assiste a uma situao compromisso uma
vez que a consequente diminuio de resistncia do semicondutor na ausncia de iluminao
torna muito baixa a sensibilidade do dispositivo radiao.
2) Injeco forte de portadores.
Trata-se de outra situao limite. De (7.6) verifica-se no haver neste caso linearidade entre
fee G . Consideremos, por conduzir a uma maior sensibilidade, o semicondutor como
intrnseco. Com in n >> ter-se-
2feG r n (7.10)
pelo que
( ) fen pG
qr
+ (7.11)
O smbolo da fotoresistncia est representado na Fig. 7.6
Fig. 7.6 Smbolo da fotoresistncia.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.8
Os materiais utilizados nas fotoresistncias so o CdS ( 2,42GW eV=
lim 0,512 )f m= para a deteco de luz visvel e o Ge ( )lim2,67 , 1,85GW eV f m= = ou o
InSb ( 0,18 ,GW eV= lim 6,89 )f m= para detectores de infravermelho.
7.4. Fotododos
Nos fotodetectores s contribuem para a corrente os electres e buracos, gerados por
efeito fotoelctrico, que chegam aos contactos sem se recombinarem. Um processo simples e
eficaz para atingir este objectivo consiste em aproveitar a zona de depleo de uma junop-
n. Com efeito o campo elctrico associado a esta regio permite separar espacialmente os
portadores gerados por efeito fotoelctrico e, devido fraca populao de electres e buracosque caracterizam a regio de transio, a recombinao de portadores pouco importante. Sob
iluminao, a relaoI(U) para o dodo pode escrever-se como:
( )/ 1TU uis fot I I e I= (7.12)
em queIfottraduz a componente da corrente devida iluminao. Supondo que esta corrente
obtida por iluminao uniforme da regio de transio, ter-se-:
( )fot feI G Aq U= (7.13)
O comportamento do fotododo pode ser analisado em termos de uma fonte de corrente
controlada pela iluminao. O circuito elctrico equivalente dum fotododo est representado
na Fig. 7.7.
fotI
FI ID
U
Fig. 7.7 Circuito elctrico equivalente dum fotododo.
As caractersticas tenso-corrente de um foto-dodo, tomando o fluxo da radiao
incidente como parmetro, esto representadas na Fig. 7.8.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS 7.9
U (V)
2
3
-0,4 -0,2 0,2
40
80
I (A)
0,4
Fig. 7.8 CaractersticaI(U) para um fotododo.
Para melhor linearidade e maior sensibilidade iluminao o fotododo deve estar
inversamente polarizado, Fig. 7.9. Neste caso a variao da tenso aos terminais da resistncia
uma medida da intensidade da radiao incidente.
E U
R
Fig. 7.9 Circuito de polarizao de um fotododo.
Normalmente a iluminao do dodo feita lateralmente porque se fosse feita
directamente na regio de transio, dada a sua pequena espessura, fotI seria demasiado
baixa. Do lado iluminado a distncia do contacto metlico juno deve ser suficientemente
pequena, comparada com os comprimentos de difuso, para que os portadores gerados no
desapaream por recombinao. Dever, contudo ser suficientemente grande, comparada com
o inverso do coeficiente de absoro, para que o semicondutor, nessa regio, possa absorver
um elevado nmero de fotes incidentes.
A estrutura p-i-n revela-se particularmente adequada para a implementao de
fotododos, Fig. 7.10. Com polarizao inversa a regio depleta abrange toda a regiointrnseca e o campo elctrico nesta regio aproximadamente constante. Deste modo
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.10
possvel obter valores de fotI muito mais elevados do que os que se obtm para os dodos de
juno convencionais. Por outro lado, a fotocorrente praticamente independente da tenso
de polarizao em virtude da largura da regio depleta ser determinada pela largura da regio
intrnseca, fixada tecnolgicamente. Alm das estruturas p-i-npodem-se fabricar fotododosespecialmente sensveis radiao aproveitando o mecanismo de disrupo por avalanche.
Estes fotododos de avalanche so polarizados na zona de disrupo.
Zona de pleta
(a) (b)
Nd(x)
n(x)
Na(x) p(x)
p
n
ni
E(x)
x xw w
Fig. 7.10 Estrutura p-i-n: (a) densidade de portadores; (b) campo elctrico.
Quando comparadas com as fotoresistncias, os fotododos apresentam normalmente
uma menor sensibilidade iluminao, embora possuam vantagens em relao queles no que
diz respeito linearidade e rapidez de resposta.
7.5. Clulas Solares
Os efeitos fotovoltaicos constituem uma classe de fenmenos em que, sob a aco da
luz, aparece uma diferena de potencial numa dada regio do semicondutor. O efeitofotovoltaico pode tambm manifestar-se pelo aparecimento de uma corrente ou corrente e
tenso, dependendo do circuito exterior.
A luz incidente d origem ao aparecimento de excessos de portadores, relativamente aos
valores de equilbrio termodinmico. Os pares electro-buraco gerados, sob a aco de
campos locais, so separados podendo acumular-se em regies onde deixar de haver
neutralidade elctrica, resultando por isso o aparecimento de uma diferena de potencial. A
natureza e origem dos campos elctricos responsveis pelo aparecimento destes efeitos quepermitem distinguir os vrios tipos de efeitos fotovoltaicos. De entre eles ir-se- estudar com
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.11
mais pormenor o efeito fotovoltaico em junes p-n, com aplicaes importantes na gerao
de energia elctrica a partir da energia solar. Sero ainda referidas, no mesmo contexto, as
junes Schottky.
7.5.1. Efeito fotovoltaico em junes p-n
Como se sabe, na juno p-n existe um campo elctrico dirigido de n para p numa
regio relativamente estreita designada por regio de transio. Este campo elctrico ser o
responsvel pela separao dos portadores (electres e buracos) gerados aos pares pela
iluminao incidente, que deve possuir uma energia maior ou igual altura de banda proibida
do semicondutor utilizado. A separao das cargas d por isso origem ao aparecimento de
uma diferena de potencial, positiva de p para n. Se se curto-circuitarem os terminais dejunop-n, aparecer uma corrente nos fios de ligao, a corrente de curto-circuito, e que flui
de nparap.
A expresso que relaciona a corrente e a tenso na juno p-n, sob iluminao, dever
possuir dois termos, um envolvendo a corrente devida iluminao e o outro termo associado
resposta do diodo tenso aplicada, sem iluminao. Pode escrever-se com alguma
generalidade:
1TU
nuis ccI I e I
=
(7.14)
em que isI a corrente inversa de saturao, n o factor de idealidade e ccI a correnteassociada iluminao e que, nesta expresso, a corrente de curto-circuito, isto , a corrente
no circuito quando U=0.A expresso (7.14) vlida para os sentidos convencionados da Fig.7.11 em que se assume que a tenso Uexterior "cai" praticamente toda na regio de transio
(desprezam-se as resistncias associadas s regies quase-neutras nepe aos contactos).O valor de ccI depende das condies inerentes iluminao e estrutura em estudo. A
situao mais simples de analisar consiste em assumir que a iluminao monocromtica,
uniforme, com uma taxa de gerao por efeito fotoelctrico, Gfe,constante, e que a injeco fraca. Calcula-se ento a evoluo da densidade de portadores minoritrios com a distncia,
para as regies n e p e a partir dessas expresses obtm-se as correntes de difuso nas
fronteiras entre a regio de transio e as regies neutras. A corrente associada iluminao
ser a soma destas duas contribuies (electres e buracos). Deste modo ter-se-:
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.12
( )cc fe p nI qG L L A= + (7.15)
ou
( )2cc fe p n
AI qG W W= + (7.16)
em que pL , nL so os comprimentos de difuso para buracos e electres respectivamente, e
pW , nW so as larguras das regies pe nrespectivamente eAa rea da seco transversal,
que se supe constante. A equao (7.15) vlida quando ,p n n pW L W L>> >> , e a equao
(7.16) vlida na situao em que ,p n n pW L W LNa.
A caracterstica do dodo, sem e com iluminao, est representada na Fig. 7.12.
claro que o funcionamento da juno p-ncomo conversor fotovoltaico s possvelse a juno p-n tiver o ponto de funcionamento no 4 quadrante. por isso que, para as
clulas solares, as caractersticas apresentadas na literatura, se reportam unicamente a este
quadrante.
Um dos parmetros caractersticos das clulas solares, para alm da corrente de curto-
circuito, a tenso em circuito aberto, caU .De (7.14) tira-se:
ln 1ccca Tis
IU nu
I
= +
(7.17)
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.13
I
maxP
U
maxP
MU caU
MI
( )cc isI I +
sem iluminao
com iluminao
Fig. 7.12 I(U) para a clula solar.
Contudo, sob o ponto de vista das aplicaes, os parmetros determinantes na escolha
da clula solar prendem-se com a potncia mxima que ela pode fornecer e com o seu
rendimento.
O rendimento da clula solar,, definido por:
max
incidente
P
P = (7.18)
Por sua vez, a potncia que a clula solar pode fornecer depende do seu ponto de
funcionamento em repouso e dada por:
( )1 0TU
nuis cc caP UI U I e I U U
= =
(7.19)
Para 0 caU eU U = = a potncia zero, tomando o valor mximo para um dado
MU U= , no intervalo considerado. O ponto U=UM um ponto de estacionaridade da funo
P(U), pelo que se verifica a relao:
0MU U
dP
dU =
=
(7.20)
ou seja
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.14
1 0M
T
U
nuMis is cc
T
UI e I I
nu
+ =
(7.21)
Desta equao transcendente obter-se-, por via numrica, o valor de UM . Substituindo
este valor em (7.14) obtm-se o valor de I= -IM, ficando ento determinado o ponto de
funcionamento em repouso (PFR) da clula solar correspondente potncia mxima.
Graficamente este PFR o ponto tangente do ramo de hiprbole da funo I= Pmax/Ucom a
caracterstica I(U), Fig. 7.12. A potncia mxima Pmaxque a clula solar pode fornecer
ento dada por:
max M MP U I= (7.22)
Na Fig. 7.12 a potncia mxima est representada pela rea a cinzento. Quando a clula
tiver uma caracterstica rectangular, o que corresponde situao ideal, o PFR correspondente
potncia mxima est no vrtice do rectngulo e Pmax= UcaIcc. Nalgumas situaes
suficiente linearizar a caracterstica por forma a facilitar a determinao do ponto de
funcionamento correspondente potncia mxima.
fcil de ver que a potncia mxima aumenta com o aumento de ca ccU e I pelo que se
devem escolher os materiais semicondutores que permitam obter valores elevados para esses
parmetros. de realar no entanto que no possvel aumentar simultaneamente eca ccU I .
Com efeito o aumento de ccI pode ser obtido diminuindo a altura de banda proibida do
semicondutor (absorve fotes de uma gama espectral mais larga). Contudo, ao diminuir a
altura da banda proibida, a tenso em aberto diminui. Aumentando a altura da banda proibida
aumenta caU mas diminui ccI . H por isso uma gama de valores da altura da banda proibida
que conduz a potncias mximas mais elevadas, e por isso a maiores rendimentos, Fig. 7.13.
A existncia de bandas de absoro no espectro solar, devido atmosfera terrestre, faz com
que, para um dado material, o rendimento baixe. Verifica-se tambm que, quando o efeito da
atmosfera terrestre mais pronunciado, o rendimento mximo obtido quando os materiais
utilizados tm alturas da banda proibida menores.
Define-se tambm o factor de forma ou factor de enchimento (FF) como:
max
ca cc
PFF
U I= (7.23)
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.15
em que 1FF< . Quando 1FF= a caracterstica da clula solar rectangular e corresponde
situao ideal.
35
30
25
20
15
10
50.5 1.0 1.5 2.0 2.5
AM1.5
AM0
GeCdS
Si
Cu2S
GaAs
a:Si:H
a:Si:H:F
Limite do corpo
negro (AMO)
EG(eV)
(
%)
300T k=
Fig. 7.13 Rendimento de clulas solares em funo da altura da banda proibida, para vrias
condies de iluminao.
O circuito de polarizao mais simples, que obriga o PFR da clula solar a estar no 4
quadrante, est representado na Fig. 7.14.
U
I
R
Fig. 7.14 Circuito de polarizao duma clula solar que permite fornecer energia resistncia R.
A recta de carga dada por:
UI
R= (7.24)
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.16
e est representada na Fig. 7.15.I
U0U caU
0I PFR 1/R
Fig. 7.15 PFR correspondente ao circuito da Fig. 7.14.
Na Fig. 7.15 a rea a tracejado representa a potncia fornecida pela clula solar
resistnciaR. evidente que a clula s pode fornecer a sua potncia mxima resistncia de
carga se esta tiver o valorRop dado por:
Mop
M
UR
I= (7.25)
Na Fig. 7.16 mostra-se a estrutura e a caracterstica de uma clula solar de silcio com
rendimento elevado.
(b)
(a)
Contacto inferiorp+
p
Dupla camada antireflectoraContacto superior (Ti/Pd/Ag)
Superfcie SiO2 (50 )N+SiO2ultrafino
I(A)
0,10
0,05
-0,10
-0,05
-0,15
-0,2 0,1
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 U (V)
2
0,64
35,48 /82,2%
18,7%
ca
cc
U V
J mA cmFF
=
==
=
(c)
Fig. 7.16 Clula solar de Si: (a) estrutura; (b) pormenor do contacto metlico na face iluminada;(c) caractersticaI(U).
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.17
De acordo com (7.14), a clula solar pode ser representada pelo circuito elctrico
equivalente da Fig. 7.17.
ccID
I
U
Fig. 7.17 Circuito elctrico equivalente da clula solar baseado na equao (7.14).
7.5.2. Efeito das resistncias srie e paralelo
Um circuito mais realista inclui as resistncias srieRs,e paralelo Rpque traduzem asperdas de natureza hmica e as perdas por correntes de fugas respectivamente. conveniente
que Rsseja o menor possvel eRpo maior possvel. A Fig. 7.18 mostra o circuito elctricoequivalente da clula solar envolvendo estas resistncias.
ccI
D
I
U pR
SR
Fig. 7.18 Incluso das resistncias srie e paralelo no circuito elctrico equivalente
de uma clula solar.
Com a incluso das resistnciasRseRpa relaoI(U) tomar a forma:
1s
T
U R I
nusis cc
p
U R II I e I
R
= +
(7.26)
A influncia deRseRpnas caractersticas da clula solar est representada na Fig. 7.19. fcil de ver queRseRpafectam fundamentalmente o factor de forma, que se traduz numa
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.18
alterao acentuada do rendimento. de realar que o rendimento mais sensvel aRsdo queaRppelo que, na maior parte dos casos, s a influncia deRs que contabilizada, Fig. 7.20.
Fig. 7.19 Influncia na caracterstica da clula solar de: (a)Rs, Rp= ; (b)Rp, Rs=0.
Fig. 7.20 I(U) para uma clula solar de Si com rea de 1,7 cm2exposta luz solar.
Os crculos representam os pontos experimentais.
7.5.3. Efeito da temperatura
A temperatura pode variar entre valores muito diferentes para as clulas solares
colocadas no exterior, dependendo da estao do ano, da hora do dia, das condies
climatricas, etc.
A corrente ccI no fortemente dependente da temperatura. Sobe ligeiramente com o
aumento da temperatura j que o coeficiente de absoro do semicondutor sobe com a
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.19
temperatura devido diminuio da altura da banda proibida. Quanto tenso caU e ao
factor de forma FF, ambos diminuem com o aumento da temperatura. Deste modo o
rendimento, que pode ser expresso por:
ca cc
incidente
FF U I
P = (7.27)
dever diminuir quando a temperatura aumenta. Verifica-se que os semicondutores de maior
altura de banda proibida so menos sensveis a variaes de temperatura. Est neste caso o
GaAs que, relativamente ao Si, permite obter clulas solares com aproximadamente metade
da sensibilidade temperatura.
7.5.4. Clulas solares com rendimentos elevados
Como se viu, Fig. 7.13, o rendimento terico das clulas solares mximo, e toma
valores da ordem dos 23%, quando a altura da banda proibida est no intervalo 1,4 - 1,6 eV.Para as clulas reais o rendimento menor devido a vrios factores, nomeadamente: a
recombinao em superfcie e no interior do semicondutor, resistncias parasitas (resistncia
srie), e ainda dificuldade de captar a luz de forma eficiente para o interior do semicondutor
(contactos bloqueiam parte da luz, reflectividade da interface semicondutor/ar). Um projecto
adequado da estrutura da clula solar poder contudo minimizar alguns dos problemas
referidos e aumentar o seu rendimento.
Pode-se melhorar o acoplamento ptico utilizando contactos metlicos com a geometria
optimizada, por forma a bloquearem o menos luz possvel. Contudo deve tambm garantir-se
que o valor da sua resistncia e o da resistncia entre o contacto e o semicondutor sejam
baixos e que haja o mnimo de perdas associadas s correntes laterais, que se estabelecem na
camada superior do semicondutor junto ao contacto. A utilizao de camadas antireflectoras
transparentes (uma ou vrias) podem reduzir a reflectividade da clula solar a valores bastantebaixos numa gama de comprimentos de onda elevada. Outra forma de reduzir a reflexo a
de fabricar a superfcie exposta de modo a apresentar textura, Fig. 7.21.
Com este tipo de clulas mais luz injectada no semicondutor permitindo tambm
maior absoro para os comprimentos de onda maiores. Estas clulas possuem contudo
algumas desvantagens nomeadamente: dificuldade de fabrico, o problema de manuseamento,
e o facto de haver fotes que podem ser injectados no semicondutor sem terem a energia
adequada para a criao de pares electro-buraco e que acabam por ser responsveis peloaumento da temperatura da clula.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.20
Contacto metlico MicrotexturaLuz
Contacto
da base
p n Pelcula fina de xido
p+
(a) (b)
Fig. 7.21 Superfcie com textura para diminuir as perdas por reflexo: (a) Corte em que se mostra oprincpio de funcionamento; (b) clula solar.
Pode-se tambm aumentar a potncia luminosa incidente na clula solar utilizando
concentradores. possvel deste modo aumentar ,ca ccU I e . Na Fig. 7.22 (a) e (b)
representam-se o andamento de ,caU e FF para vrios valores da densidade de potncia
incidente. O aumento decom a potncia incidente prende-se com a subida de ,ca ccU I eFF .
Aps atingir um mximo decresce, fundamentalmente devido diminuio de FF que se
associa ao efeito da resistncia srie, mais importante para correntes mais elevadas.
Nas clulas solares que utilizam concentradores os so em geral mais baixos que osprevistos, devido ao aquecimento da clula solar. Neste caso necessrio arrefecer a clula
solar para que se garantam valores aceitveis. Para concentraes baixas pode ser suficiente o
arrefecimento passivo, enquanto que para concentraes altas o arrefecimento activo (e.g.
circulao forada de gua) obrigatrio.
Fig. 7.22 (a) Rendimento da clula solar em funo da potncia incidente; (b) Tenso em aberto efactor de enchimento em funo da potncia incidente.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.21
Um sistema eficiente, sob o ponto de vista de absoro de fotes numa vasta gama de
valores de energia, consiste em ter clulas solares constitudas por materiais semicondutores
com alturas da banda proibida diferentes, dispostas por ordem decrescente de altura de banda
proibida, com o material de altura da banda proibida maior directamente exposto radiao.
Os fotes de menor energia sero absorvidos pelo material que se encontra mais longe da
superfcie enquanto que os de energia mais elevada so absorvidos pelo semicondutor
superfcie. Deste modo estas clulas solares conseguem absorver fotes duma gama espectral
maior do espectro solar do que aquelas que s utilizam um nico tipo de material
semicondutor. Um efeito semelhante conseguido atravs da separao espectral da radiao
por espelhos que a reflectem para as clulas solares apropriadas, Fig. 7.23.
Fig. 7.23 Sistemas que permitem alargar a gama espectral til do espectro solar para converso
fotovoltaica.
Na Tabela 7.1 indicam-se os rendimentos ptimos de clulas solares obtidas pela
combinao de vrios materiais para uma concentrao da luz solar correspondente a 1000
sis (1000 AM1). No clculo desprezam-se as perdas pticas, que podero reduzir esses
valores de entre 20 a 50%.
At ao momento tem estado implcito que as junes p-n referidas so homojunes,
i.e., possuem o mesmo tipo de semicondutor do lado pe do lado n. No entanto os materiais
semicondutores do lado p e do lado n podem ser diferentes e a juno p-n designa-se porheterojuno. Estas estruturas no apresentam vantagens relativamente homojuno. De
facto a existncia de uma descontinuidade em qualquer das bandas indesejvel sob o ponto
de vista de converso fotovoltaica. Verifica-se que h uma melhoria acentuada do rendimento
das heterojunes quando a descontinuidade na banda de conduo pequena ou no existe e
que esse rendimento, nestas condies, est limitado superiormente pelo rendimento
associado clula solar fabricada com o material de menor altura de banda proibida.
de realar que embora a heterojuno no traga vantagens a existncia de umapelcula fina de um material de maior altura da banda proibida no topo da clula solar permite
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.22
melhorias substanciais no seu rendimento. Este material normalmente fortemente dopado e
d origem a maiores diferenas de potencial de contacto e por isso a tenses em circuito
aberto mais elevadas. Por sua vez, sob o ponto de vista ptico, serve de janela para a luz solar
que incide no material de banda proibida menor reduzindo as perdas. Estruturas deste tipo so
por exemplo clulas de GaAs com a camada superior de GaP ou clulas de silcio amorfo com
a regio de topo de SiC.
Tabela 7.1 Rendimentos optimizados para sistemas de clulas solares empilhadas (1000 AM1).
# Clulas
SolaresWG(eV)
( )
1 1,4 32,4
2 1,0 1,8 44,3
3 1,0 1,6 2,2 50,3
4 0,8 1,4 1,8 2,2 53,9
5 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 56,3
6 0,6 1,0 1,4 1,8 2,0 2,2 58,5
7 0,6 1,0 1,4 1,8 2,0 2,2 2,6 59,6
8 0,6 1,0 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,6 60,6
Na Fig. 7.24 mostra-se uma estrutura correspondente soluo de clulas empilhadas
da Fig. 7.23.
Fig. 7.24 Implementao de uma estrutura com clulas empilhadas.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.23
7.5.5. Juno Schottky, MIS (Metal-Isolante-Semicondutor)
Na juno metal-semicondutor existe tambm uma diferena de potencial de contacto e
portanto um campo elctrico local. Esta juno ter caractersticas rectificadoras se, do lado
do semicondutor junto interface, se formar uma regio depleta. possvel atingir maisfacilmente este objectivo se o semicondutor for tipo n devendo o trabalho de sada do
semicondutor ser inferior ao trabalho de sada do metal. O diagrama de bandas para este
contacto metal-semicondutor com caractersticas rectificadoras est representado na Fig. 7.25
e designa-se por contacto Schottky.
Fig. 7.25 Diagrama das bandas para um contacto Schottky em equilbrio termodinmico.
A caracterstica I(U) de uma juno Schottky qualitativamente idntica de umajunop-ncontudo, para a juno Schottky, a corrente tem duas contribuies: a corrente de
difuso de buracos no semicondutor tipo-ne a corrente de electres atravs da barreira, cuja
altura varia com a tenso aplicada. Normalmente a corrente de electres muito superior de
buracos o que indesejvel porque aumenta a corrente inversa e diminui a tenso em circuito
aberto, Fig. 7.26. Convm por isso que a altura da barreira seja o maior possvel para que Uca
tambm aumente.
Fig. 7.26 I(U) para a juno Schottky e a juno p-n.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.24
Poder-se-ia pensar que a utilizao dum metal com trabalho de sada maior conduziria a
caractersticas melhores. Acontece que na prtica a altura de barreira toma valores
aproximadamente constantes para os diversos metais pelo que no so observadas diferenas
apreciveis. As razes deste comportamento parece assentar na existncia de um nmero
considervel de estados na interface metal-semicondutor resultante quer da contaminao por
impurezas dessa superfcie quer pelo facto de os materiais no possurem a mesma constante
da rede cristalina. possvel conseguir uma estrutura em que os efeitos associados ao trabalho
de sada do metal so perfeitamente discernveis. Para tal deposita-se uma fina camada de
xido entre o metal e o semicondutor de modo a suprimir a corrente de maiorias na interface
metal-semicondutor. Deste modo a corrente na estrutura MIS fundamentalmente idntica
de uma junop-npermitindo obter valores mais elevados de Uca.
A iluminao da estrutura Schottky e MIS feita do lado do metal pelo que este deve
poder deixar passar a luz para o semicondutor e ao mesmo tempo servir de ligao elctrica
ao circuito exterior. Tm sido implementadas vrias solues:
1) Camada muito fina de metal. Esta soluo d origem a uma resistncia srie
elevada pelo que necessrio utilizar uma grelha metlica de maior espessura
para efectivar a ligao ao exterior.
2) O contacto metlico feito atravs de uma grelha muito fina e densa.
3) O contacto de topo um condutor transparente (e.g. xidos de ndio e estanho que
so basicamente semicondutores fortemente dopados). A estrutura resultante
costuma designar-se por SIS (semicondutor-isolante-semicondutor). Na Fig. 7.27
mostra-se a implementao dos contactos metlicos de duas estruturas MIS.
Fig. 7.27 Contactos em duas estruturas MIS (no escala).
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.25
Na Fig. 7.28 mostram-se clulas de silcio amorfo hidrogenado de tipo Schottky, MIS ep-i-n.
Fig. 7.28 Clulas solares base de a-Si:H do tipo: (a) Schottky; (b) MIS; (c) p-i-n.
Nas Tabelas 7.2 e 7.3 indicam-se os valores de alguns parmetros caractersticos de
clulas solares com vrias estruturas e materiais.
Tabela 7.2 Rendimento para vrios tipos de clulas solares.
Materiais Tipo de Juno
Rendimento (%)
1. Cu2S/CdS HJ ~10
2. Cu2S/Zn0,16CdS0,84S HJ 10,2
3. Cu2-xS/CdS HJ 3,3
4,. CdSe MIS 5
5.CdS/CdTe HJ ~10
6. CuInSe2/ZnCdS HJ ~10
7. Zn3P2 Schottky 2,5
8.InP/CdS HJ 5,7
9. GaAS Schottky 5,5
10.GaAs n+/p/p+ 17
11.Si Homo 9
13.Si Homo 12
14.a-Si:H Schottky 6
15. a-Si:H:F MIS 6,2
16.a-Si:H p-i-n 10
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.26
Tabela 7.3 Parmetros caractersticos de vrios tipos de clulas solares fabricadas com a-Si:H.
Tipo Configuraorea(cm2)
Uca(mV)
Jcc(mA cm-2) FF
(%)
p-i-n ITO/n c-Si:H/i-p a-Si:H/ao 1,2 860 13,9 0,655 7,8
p-i-n ITO/n-i-p a-Si:H/ao 0,04 857 13,0 0,62 6,9
p-i-n Al/Ti/n-i-p a-Si:H/SnO2/vidro 0,1 801 12,55 0,675 6,8
HJ Al/n-i a:Si:H/p a-Si:C:H/ITO/vidro 0,033 880 15,2 0,601 8,0
HJ Al/n-i a:Si:H/p a-Si:C:H/SnO2/vidro 1,0 880 14,1 0,624 7,7
HJ ITO/p a-Si:H/i a-Si:Ge:H/n a-Si:H/ao 1,0 635 7,2 0,57 2,6
HJ ITO/p a-B:Si:H/i-n a-Si:H/ao 0,05 670 6,9 0,35 1,6
HJ Pd/a-B: H/i-n a-Si:H/ao 100 800 6,0 0,55 2,6
HJ Ag/n-i a-Si:H/p a-Si:C:H/SnO2/vidro 1,09 840 17,8 0,676 10,1
7.6. Fototransistores
7.6.1. Tratamento qualitativo
O fototransistor apresenta uma estrutura funcional idntica do transstor clssico, No
entanto a juno BC polarizada inversamente concebida como uma fotojuno, beneficiando
no entanto da aco amplificadora da vizinha juno emissora que se encontra polarizada
directamente. Consideremos o transstor clssico. Admitamos a juno BC inversamente
polarizada. Com o emissor em aberto, Fig. 7.29(a), tem-se C CBOI I= . Com a base em
aberto, Fig. 7.29(b), tem-se (1 )C CEO F CBOI I I= = + . a diferena entre CBOI e CEOI que
traduz a vantagem do fototransistor sobre o fotododo.
Considerando de novo o circuito da Fig. 7.29 (a). Para que IE = 0, as componentes de
difuso dum lado e doutro da regio de transio cancelam-se. Os portadores difundem-se no
mesmo sentido, o que s possvel com concentraes inferiores s de equilbrio
termodinmico. A juno emissora, embora o terminal emissor esteja no ar, est polarizada
inversamente. As distribuies de minorias esto representadas na Fig.7.30.
Consideremos agora o circuito da Fig. 7.29(b). A corrente verificada corresponde a
C EI I= e distribuio de minorias da Fig. 7.31. Agora a juno emissora est polarizada
directamente para que a corrente de difuso de electres no emissor possa ser igual difuso
de electres no colector. A componente da corrente devida base muito maior do que no
caso da Fig. 7.30 porque a juno EB est polarizada no sentido directo.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.27
(a)
R
E
C CEOI I=
EU
( )0EU >
R
E
C CBOI I=
EU
( )0EU .
Na Fig. 7.49 encontra-se representada a relao W k para um semicondutor de banda
directa.
2) Consegue-se aumentar a taxa de recombinao polarizando directamente a junop-nque,
como se viu, deve ser fabricada com materiais semicondutores de banda directa. Nas
junes directamente polarizadas, os excessos aparecem na zona de transio e nas zonas
vizinhas pelo que ser nestas regies do dodo que se efectua a emisso de luz.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.43
GW
CW
VW
k
k
0
0
Fig. 7.49 Bandas de energia para um semicondutor de banda directa.
Para que haja emisso coerente, alm das condies atrs referidas, outras devero
tambm ter lugar como se ver a seguir.
Baseado na Fig. 7.49, e de acordo com os sistemas de eixos a definidos, a
probabilidade de ocupao por electres dos estados na banda de conduo
( )1
1C FC
C C W W
kT
f W
e
=
+
(7.46)
e a probabilidade de ocupao por buracos dos estados na banda de valncia :
( )1
1V FV
V V W W
kT
f W
e
=
+
(7.47)
O ritmo de absoro de fotes pode ser definido como:
( )( )1 1 ( )a C VR B f f E= (7.48)
em queBtraduz a probabilidade de transio e ( )E a densidade de fotes com energiaE,
C V GE W W W= + + (7.49)
A taxa de emisso estimulada de fotes dada por:
( )st C V R Bf f E= (7.50)
e haver ganho ptico se:
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.44
st aR R> (7.51)
(despreza-se a emisso espontnea).
Da relao (7.51) e substituindo nela (7.48) e (7.50), obtm-se:
1C Vf f+ > ou (1 )C Vf f> (7.52)
Isto , haver ganho ptico se houver mais electres na banda de conduo que na
banda de valncia, o que corrente designar por inverso.
Reescrevendo (7.52) obtm-se:
Separao dos pseudo- Energia do foto -nveis de Fermi
G FC FV C V GE W W W W E+ + > + + (7.53)
ou FC FV C V W W W W + > + (7.54)
o que significa que a separao dos quase-nveis de Fermi deve ser superior a GW para que
haja inverso. Esta condio obtm-se por injeco da corrente numa juno directamente
polarizada, com regiespe nfortemente dopadas. Existe um dado valor de corrente a partir
do qual se verifica a relao (7.51), havendo por isso ganho ptico, isto , haver amplificao
de fotes no interior do semicondutor.
Na Fig. 7.50(a) mostra-se o andamento do ganho ptico em funo da energia para
vrios valores da densidade de corrente injectada, expressa em termos da densidade de
portadores. O ganho ptico negativo significa que o material absorveu todos os fotes que
foram emitidos e ainda no houve inverso da populao.
(b)a
Ganho
ptico(cm-1)
Energia dos fotes (eV)
Ganhomximo
(cm-1)
N (1018cm-3)
Fig. 7.50 (a) Ganho ptico em funo da energia e (b) ganho mximo em funo da densidade deportadores para um laser de InGaAsP a emitir em = 1,3 m.
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.45
Quando N aumenta o ganho torna-se positivo numa gama de valores de energia que
aumenta comN. O valor mximo do ganho desloca-se para energias mais elevadas quando N
aumenta.
O ganho ptico por si s no permite o funcionamento do laser, devendo garantir-se a
realimentao ptica que transforma o amplificador num oscilador. Na maior parte dos lasers
a realimentao conseguida colocando a regio em que h ganho numa cavidade ptica
delimitada por dois espelhos, muitas vezes designada por cavidade de Fabry-Perot. Nos lasers
de semicondutor utilizam-se como espelhos planos de clivagem opostos que possuem
tipicamente uma reflectividade de ~ 30%, Fig. 7.51. Embora na maioria dos casos a
reflectividade dos espelhos seja igual, elas podem ser diferentes. Para que haja emisso laser
deve garantir-se que o ganho ptico seja superior s perdas na cavidade. Estas perdas podem
ser separadas em termos das perdas internas (absoro, disperso ou outras) e perdas devido
reflexo nos planos de clivagem referidos. Este ganho ptico, a partir do qual h emisso
laser, designa-se por ganho de limiar e a corrente que lhe d origem a corrente de limiar.
Plano de clivagem Plano de clivagem
LASER
I
p
n
L
L
Regio onde existeemisso estimulada
Cavidade ptica
Espelho Espelho
Fig. 7.51 Laser e cavidade ptica correspondente que permite a oscilao dos fotessegundo a direco longitudinal.
No limiar pode escrever-se
th i mg = + (7.55)
em que thg o ganho ptico correspondente ao limiar, i as perdas internas, m as perdas
associadas reflexo nas faces espelhadas e o factor de confinamento. O parmetro d
conta da reduo do ganho devido ao espalhamento do modo ptico para alm da regio
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.46
activa e representa a fraco da energia do modo ptico contida na regio activa e por isso
toma valores inferiores unidade. Estes valores so fortemente dependentes da espessura da
regio activa: ~ 2% quando a espessura da regio activa 10 nm e ~ 40% quando a espessura
de 200 nm para lasers de InGaAsP-InP com um poo quntico e lasers de dupla
heterojuno respectivamente.
As perdas m podem ser escritas como:
1 2
1 1ln
2m L R R
=
(7.56)
em que L o comprimento da cavidade ptica, 1R e 2R as reflectividades das faces
espelhadas. No caso particular de1 2
R R R= =
1 1lnm
L R
=
(7.57)
Para 0,32R= e uma cavidade com comprimento 250L m ter-se- 145m cm .
As perdas internas apresentam valores tpicos 130 40i cm .
Acima do limiar o ganho ptico mximo varia de forma aproximadamente linear com a
densidade de portadores,
( )0g a n n= (7.58)
em que a se designa por coeficiente de ganho e 0n traduz a densidade de portadores
necessria para se atingir a situao de transparncia, i.e., 0g= , e que corresponde ao incio
da inverso da populao.
Para lasers de InGaAsP valores tpicos de aesto na gama de 16 21,2 2,5 10 cm e de
0n no intervalo 18 30,9 1,5 10 cm .
Os modos longitudinais que oscilam na cavidade ptica do laser, Fig. 7.51, devem
garantir a relao:
2mm L
= (7.59)
em que m o comprimento de onda no meio e mum inteiro. Sendo:
m cnf
= (7.60)
7/23/2019 CAP7_DispOptoelectronicos
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.47
com ca velocidade de propagao de luz no vcuo, no ndice de refraco e fa frequncia
pode escrever-se:
2
mc
f f m
nL
= = (7.61)
O espaamento f entre dois modos longitudinais ento dado por:
2
cf
nL = (7.62)
se nno depender da frequncia. Em geral
2 g
cf
n L = (7.63)
em que gn o ndice de refraco de grupo e dado por:
gg
dn cn n
d v
= + = (7.64)
A ttulo de exemplo, para 200 200L m f GHz= . Como se viu o ganho ptico
varia com a frequncia e possui uma largura de banda suficientemente grande para que vrios
modos longitudinais da cavidade possam ser amplificados, efeito este que mais importante
para o modo a que corresponde uma frequncia mais prxima do pico do ganho, Fig. 7.52.
Modos
longitudinais
Curva relativa
s perdas
Modo longitudinal na
condio de limiar
Ganho
Fig. 7.52 Seleco dos modos longitudinais na emisso laser correspondente ao limiar.Os traos verticais correspondem aos vrios modos possveis na cavidade.
Abaixo do limiar no h emisso porque as perdas so superiores ao ganho, contudo no
limiar, o modo correspondente ao pico de ganho , na situao ideal, o nico que contribui
para a emisso laser. Na realidade, como os modos esto muito prximos, haver vrios nas
condies anteriores e que podem ser emitidos. Estes lasers so designados por lasers
7/23/2019 CAP7_DispOptoelectronicos
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DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS7.48
multimodais. Lasers que emitem basicamente num nico modo so os lasers monomodais e
possuem estruturas especiais que sero referidas mais adiante. A disperso na fibra associada
aos lasers monomodais muito menor que a dos lasers multimodais e por isso permite ritmos
de transmisso mais elevados.
7.10.2.Estruturas para os Lasers
As estruturas para os lasers devem garantir as condies necessrias para a emisso
laser, isto , inverso e oscilao. Alm disso devem obedecer a um certo nmero de pr-
requisitos para que possa haver emisso eficiente em termos da corrente injectada, do valor da
potncia luminosa e da natureza de luz emitida.
Como j foi referido as estruturas laser so basicamente junes p-nque, para garantirum melhor confinamento de portadores (isto , obrigar a que a recombinao radiativa possua
taxas elevadas numa regio estreita da estrutura), so de materiais diferentes, isto
heterojunes. Presentemente a configurao usual utilizada a da dupla heterojuno. Na
Fig. 7.53 representa-se o modelo das bandas para a homojuno e para a dupla heterojuno.
CW
VW G
W
CW
GW
VW
FW
n
pCW
VW
GW
CW
GW
VW
FW
np p
1GW
1G GW W