OptoeletrônicaMauricio Pamplona Pires
IFUFRJ
Optoeletrônica
Física
Opto + eletrônica
Começando pela eletrônica...
Descoberta do transistor
John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e fabricaram o 1o dispositivo em Dezembro de 1947.
Prêmio Nobel de Física de 1956
Bardeen (19081991)Shockley (19101989)Brattain (19021987)
http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html
http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html
Lei de Moore
Gordon MooreCofundador da Intel
“O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”
Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna
Mudança de escala de componentes microeletrônicos
O que são semicondutores?Nem condutores nem isolantes...
Resistividade (Ω m) Resistência (Ω) (L=1m, d =1mm)
Alumínio 2.8x108 3.6x102
Cobre 1.7x108 2.2x102
Platina 10x108 12.7x102
Prata 1.6x108 2.1x102
Germánio 0.45 5.7x105
Silício ≈ 640 ≈ 6x108
Porcelana 1010 1012 1016 1018
Teflon 1014 1020
Sangue 1.5 1.9x106
Gordura 24 3x107
L
dRes
istiv
idad
e a
T a
mbi
ente
(Ω.m
)
108
103
107
1014
Met
ais
Sem
icon
duto
res
Isol
ante
s
Rede do diamante
Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio
C, Si ou Ge
Rede cúbica de face centrada
Usados na eletrônica...
Duas redes transladadas de¼ da diagonal central
Cada átomo está ligado a 4 outros
Rede Zincblend
Rede cristalina do GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs...
Ga, In, Al
As, P
... e na opto-eletrônica
Metal Isolante Semicondutor
Qual são as nossas necessidades?
http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html
Hoje a informação é digitalizada…
… enviada numa fibra-ótica…
Código Morse
http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html
… num código escolhido.
Fontes de luz
Moduladores de luz
Detectores de luz
Fontes de luz
Moduladores de luz
Detectores de luz
Leds
L E D IGHT
MITTING
IODE
Diodo Emisor de Luz
Curva característica de um diodo
V
i
Polarização reversa
Polarização direta
BC
BV
ε
eV0
tipo – p tipo – n
Portadores majoritáriosPortadores minoritários
Corrente de arraste: ia *
Excitação térmica
Corrente de difusão: id *(possuem energia para superar a barreira)
* Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!
Diodo
• Economia:
• “In its report, the Energy Department said that if all conventional incandescent Christmas lights in the United States were replaced with LED lights, annual energy savings would total 2 billion kilowatthours enough to power almost 200,000 homes for an entire year”
• "By converting, for instance, in California the 44,000 traffic lightsto LEDs, they can save enough power to power about 90,000 homes"
Laser
LightAmplification by
Stimulated
Emission of
Radiation
3 ingredientes:
Amplificação
AlimentaçãoRealimentação
Ex: microfonia
Propriedades:•Luz monocromática•Feixe diracional•Luz coerente
Amplificação: emissão estimulada1 átomo isolado (E2>E1)
Absorção
Emissão espontânea
Emissão estimulada
Antes Depois
(meio de ganho)
=
E2
E1
E2
E1
E2
E1
E2
E1
E2
E1
E2
E1
Espelhos
Funcionamento do LASER
Energia
Emissão espontânea
Energia
Realimentação
Energia
Absorção
Energia
Este processo acaba devido as perdas do sistema
Energia
EnergiaEmissão espontânea
Energia
Realimentação
Meio de ganho
EnergiaEmissão estimulada
Energia
Realimentação
EnergiaEmissão estimulada
Reação em cadeia
Energia
Reação em cadeia até entrar em equilíbrio
Lasers
•CD, DVD, ...•Telecomunicações•Leitura ótica•Metrologia•Defesa
Fontes de luz
Moduladores de luz
Detectores de luz
Modulador de AmplitudeGuiamento ao longo da direção de crescimento
ou ...
O que é o modulador
Luz contínua
Modulador
Modulação elétrica
Modulação ótica
Modula a luz de acordo com uma modulação elétrica
Como isto é feito?
• O efeito Stark quântico confinado muda o espectro de absorção do material
Espectro de absorção
Comprimento de onda da luz
Sem voltagem aplicada
Com voltagem aplicada
1,55 µm
a luz não é absorvida
a luz é absorvida
Para que serve um modulador?
Laser Modulador
Fibra ótica
Detetor
Usuário Usuário
Moduladores
• Aumento da velocidade
• chirp
• Independência da polarização
• Aumento da razão de contraste
f3dB ∝ 1/C ∝ 1/A
αL = ∆n/∆α
∆s = 0
CR ∝ Γ L ∆α
0,75 0,80 0,85 0,90 0,95
50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550#291 300K800 µW 0.8527 eV (31 meV) 1454 nm
PL
(a.u
.)
Energy (eV)
hν
w
BCe1
hh1
BV
e2
lh2hh2
Propriedades Óticas• Fotoluminescência• Absorção • Fotocorrente• Fotorefletância• Fotoluminescência de excitação
Interação Luz-Matéria
Estruturaeletrônica
λop=1.55µm
λ=1.49µm
O modulador deve ser um bom guia de onda
2 0 2
2
0
2
Experimentalprebias = 0 Volts , Bias= 4 Volts
Modulator M665G5A
X Axis
Y A
xis
2 0 2
2
0
2
Γ=0.05015 WFWHMx
= 1,16 µm WFWHMy
=3.03 µmΓ=0.035 WFWHMx
= 2.19 µm WFWHMy
=3.73 µm
Theory
X Axis
Y A
xis
Fontes de luz
Moduladores de luz
Detectores de luz
λ (µm)
E (eV)
E = hc/λ = 1.24 /λ (µm.eV)
1.010.0100.0 0.1 0.01
1.240.1240.0124 12.4 124
Espectro Eletromagnético
700
nm
400
nm
E= hc/λE= 1240 /λ (eV/nm)E= 1,24 /λ (eV/µm)
Fotodetetores de infravermelho
Aplicações para fotodetectores
• Telecomunicações• Controle ambiental• Visão infravermelha (imageamento)• Segurança industrial• Controle de pragas agrícolas• Medicina• Militar
Lei de Weinλp T = 2898 µm.K
Radiação de corpo negro
Objeto que absorve 100% da radiação incidente.
Objetos frios… (10.6-18.5)
a (92.5-140)
(25-40) a
(200-350)
Infravermelho distante
Absorção gasosa,animais,…
(92.5-140) a
740
5 a
(25-40)
Infravermelho médio
Motores, máquinas de combustão,…
740 a
(3,000-5,200)
(0.7-1) a 5
Infravermelho próximo
O que?Temperatura (K)
Comprimento de onda
(µm)
Região Espectral
Como seria se eu pudesse ver isto?
Absorção atmosférica
Janelas óticas:3.2 a 4.1 µm7.8 a 9.5 µm9.8 a 14 µm
Telecomunicações – Free spaceJanela ótica em 10 µm
Taxa de erro menor que em outras janelas espectrais
Controle de vazamento de gases
Emissor Receptor
Equipamento industrial
Vazamento Interrupção do sinal
Imageamento infravermelho: segurança industrial
300 K ≈ 10 µm
700 K
Turbina:
Contramedida:
2000 K ≈ 1 µm
≈ 4 µm
Medicina:
Defesa:
Tipos de detectores
• Detectores térmicos– Absorção modifica um determinado parâmetro
físico• Bolómetros
– Resistência elétrica
• Baixa sensibilidade• Resposta lenta• Baratos• Operam a 300K• Pouca seletividade
espectral
Tipos de detectores
• Detectores de fótons
Absorção de 1 fóton
Mudança no nível de 1 elétron
Geração de uma corrente elétrica
Dispositivos semicondutores
Como detectar estes comprimentos de onda com semicondutores?
1a idéia:
Transição banda-banda:
hν > Eg
BV
BC
hν
Eg
Campo elétrico
BV
BC
hν
Eg
I
E= hc/λE= 1240 /λ (eV/nm)E= 1,24 /λ (eV/µm)
2a idéia:
Transição intra-banda:
hν = E2E1
Campo elétrico
BC
hν IE2 – E1
BChν
w
Probabilidade de absorver
Probabilidade do elétron conseguir sair do material
Depende da polarização da luz?
Transição intra-banda em semicondutores III-V
• QWIPs - Quantum Well Infrared Photodetectors
• QDIPs - Quantum Dots Infrared Photodetectors
Como fazer isto?
Transição intra-banda:
hν = E2E1
Campo elétrico
BC
hν IE2 – E1
BChν
w
Probabilidade de absorver
Probabilidade do elétron conseguir sair do material
Depende da polarização da luz?
Poços quânticos
Confinamento 2DDire
ção
de c
resc
imen
to
Material B
Material BMaterial A
BC
w
E2 – E1
QWIPs
Escolha do material e da estrutura para satisfazer o comprimento de onda desejado
• 10 µm – Poços de GaAs/AlGaAs
• 4,1 µm – Poços de InGaAs/InAlAs
E1
E2
AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs
w
2000 1000
2 4 6 8 10 12 14 16
0
10
20
6VSample 930
Photo
curr
ent (
arb
.u.)
Wavelength (µm)
Temperature (K)
300K
GaAs/AlGaAs
2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
11001000 900 800 700 600 500
1V
Pho
tocu
rren
t (arb
.u.)
Wavelength (µm)
Sample 897
Temperature (K)InGaAs/InAlAs
E1
E2
300meV
2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 Ambiente controlado Ambiente sem controle
Pho
tocu
rren
t (arb
.u.)
Wavelength (µm)
Sample 897
Absorção de CO2
Detector de CO2
Variação 10% do sinal
• Maior sensibilidade• Maior acoplamento com a luz
– Incidência normal é absorvida !!!
• Menor ruído
Ponto quântico luz IV+
elétron Elétron livre
QDIPs
Questões interessantes:
• Propriedades óticas• Propriedades estruturais
• Parâmetros de crescimento• Dopagem• Matrix
vs.
1.0µm200nm
200nm
1.0µm
Detectores: Alta densidade
+ Alta homogeneidade
AFM
TEM
DWELL - Dot-in-a-WELL - Fotodetectores no IV (intra-banda)
InP
InP
InG
aAs
InG
aAs
InAs
InAs
124 meV
200 Å 200 Å85 ÅQWQW QDQD
InP
InP
Ener
gia
Ener
gia
PosiçãoPosição
BCBC
InPInP
InGaAsInGaAs QWQW
QDQD
Cres
cim
ento
Cres
cim
ento
2 3 4 5 6 7
0
1
2
10 K
Photo
curr
ent (a
.u.)
Wavelength (µm)
DWELL - Dot-in-a-WELL - Fotodetectores no IV (intra-banda)
Nanotecnologia
Qual são as nossas necessidades
reais?
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