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

2 Introducción Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Definición: generación, detección, control y aplicación de la luz en diversos campos de la tecnología. Aplicación: Telecomunicaciones y optoelectrónica. 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.

3 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Funcionamiento: -Se basa en la colección de los portadores de carga que son generados por los fotones absorbidos dentro de un material -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. Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED

4 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Fabricación y uso actual de los fotodetectores: - Hoy en día están formados por varias capas delgadas de semiconductores con distintos composiciones y dopajes. - 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.

5 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED - Muy sencillos -Se basan en la fotoconductividad 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 Detección en el infrarrojo y cuando los niveles de intensidad de luz son elevados (Son detectores de respuesta lenta  no se pueden usar para aplicaciones de alta frecuencia)

6 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Ec Ef qVo Semiconductor intrínseco e-e- Ef Ev hv h+h+ Metal (contacto) Metal (contacto)

7 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Substrato aislante Capa semiconductora Contactos metálicos + - e-e- h+h+ Luz incidente fotocorriente No todos los portadores fotogenerados contribuyen a la conducción (una fracción importante se recombina)

8 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED -Fotoconductores intrínsecos: la aparición de una fotocorriente ocurre sólo para luz de energía mayor que (energía de gap) -Fotoconductores extrínsecos: esto ocurre para energías mucho menores que

9 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED -Estado “estacionario”  velocidad de recombinación (R) = velocidad de generación de portadores (G) Para un intrínseco: y -Velocidad de arrastre de los electrones por el campo eléctrico :

10 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Hemos definido también: Entonces, estas formulas conducen a un nuevo incremento de corriente: Definiendo el tiempo de tránsito de los electrones entre dos electrodos: Finalmente obtenemos: Así tenemos R=G  y 

11 LOS FOTOCONDUCTORES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED - Corriente primaria debida a los portadores fotogenerados : Corresponde a la velocidad de generación de carga en el semiconductor -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

12 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos 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

13 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Ev Ec NPZCE Ef e-e- h+h+ hv ɛ Voc - - - - - - + + + + + + efecto fotovoltaico P N qVoc LhLh LeLe

14 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED I=I 0 [exp(qV/kT) – 1]- I L ILIL I0I0 I Diodo en oscuridad (simple) Portadores generados por iluminación (corriente inversa) I L =qGS(W+L e +L h ) => Proporcional a G (generación de portadores) => Proporcional a la iluminación => Convierte señal óptico en eléctrico V

15 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Aumentar la anchura de la ZCE  Más radiación en esta región => más corriente  Más lento => menor velocidad de los portadores Disminuir la anchura de la ZCE  Menos radiación  Más rápido Un compromiso es necesario.

16 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Fotodiodo con una capa intrínseca entre los semiconductores P y N. Ventaja => soportar tensiones inversas mucho más grandes PN ZEC extrinseco intrínseco ZEC ɛ 1 max fotodiodo ɛ 2 max diodo p-i-n ɛ V proporcional a la area de ɛ = > Area ɛ 1 =Area ɛ 2 Pero, para el mismo V aplicado, ɛ 1max> ɛ 2max Entonces, aguanta más tensión inversa hasta alcanzar el campo eléctrico de avalancha ɛ avalancha I

17 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED hv Película anti reflectante Contacto metálico Aislante (SiO 2 )

18 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Longitud de onda de 10μm Detecta radiación infrarroja Utilizado para visión nocturna y imágenes térmica

19 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED E2E2 E1E1 hv EFEF F=0 4nm 20nm 50 pozos (PCM)

20 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED E2E2 E1E1 F≠0 => inclinación estructura de bandas hv Conducción E 2 -E 1 =0,1eV Radiacion hv=0,1eV Con v=1/10μm

21 LOS FOTODIODOS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED  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 de incidencia => radiaciones son absorbidas => producen pares é/h que participan al fotocorriente inicial Ventaja: radiaciones de pequeñas longitudes de onda absorbidos 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

22 CELULAS SOLARES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos 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 Convierten directamente la energía de la luz del sol en corriente eléctrica por medio del efecto fotovoltaico.

23 CELULAS SOLARES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED n p RLRL hv Recubrimiento antirreflectante Contactos metálicos e-e- h+h+ Fotones absorbidos en la unión p-n  pares e - - h + en BC y BV

24 CELULAS SOLARES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED I I cel RsRs ILIL RLRL V IVmVm ImIm I sc V oc 1/R L Q

25 CELULAS SOLARES Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED E G óptimo entre 1’1 y 1’4 eV  factor de eficiencia (Si y GaAs) Células comerciales 15% Semiconductores con E G muy concreta ya que si: 1.E G pequeña  energía solar de menor λ es absorbida directamente en la superficie y prácticamente no contribuye a la corriente de la célula. 2.E G grande  radiación con λ > λ c (crítica) no es absorbida.

26 LOS LEDS Microelectrónica – Dispositivos fotónicos 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 Los diodos emisores de luz produce luz cuando pasa corriente a través de ellos  efecto ELECTROLUMINISCENTE

27 LOS LEDS Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Ev Ec NPZEC Ef e-e- h+h+ ɛ V+ - hv Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

28 LOS LEDS Microelectrónica – LEDS Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED Gap indirecto  La transición radiactiva se hace con cambio 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. Gap directo  La transición radiactiva se hace sin cambio en el momento del electrón. Es mucho mas probable que ocurra que en los de gap indirecto. Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

29 LEDS Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED -Dependiendo el compuesto que utilicemos hacemos LEDS de un color u otro. CompuestoColorLong. de onda Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo940nm Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) Rojo e infrarrojo890nm Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) Rojo, naranja y amarillo 630nm Fosfuro de galio (GaP)Verde555nm Nitruro de galio (GaN)Verde525nm Seleniuro de zinc (ZnSe)Azul Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul450nm Carburo de silicio (SiC)Azul480nm Diamante (C)Ultravioleta -En un mismo compuesto dependiendo de la intensidad de la luz aplicada la longitud de onda varia. -La intensidad de la luz que emite el LED depende de la corriente inyectada Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

30 LEDS Microelectrónica – LEDS Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED + - Contacto metálico Óxido Capa p Capa n Sustrato n Emisión de luz Menos dopado p  suficiente fino para que los fotones producidos puedan escapar sin ser reabsorbidos Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

31 LOS LEDS Microelectrónica – LEDS Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED PN+N+ P AlGaAs - 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 h + provocando la emisión de fotones Microelectrónica – Dispositivos fotónicos

32 LOS LEDS Microelectrónica – LEDS Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED -Tienen diferente tipo de electroluminiscencia que los leds - No necesitan un material de alta calidad - Formados por: -Semiconductor policristalino de banda ancha - Dopado con un ión que actúa como centro luminiscente - 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 – Dispositivos fotónicos

33 LED’S BLANCOS vs LED’S RGB Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED LED blanco. LED azul cubierto de fósforo  convierte parte de la luz azul en luz amarilla. Este espectro combinado se percibe como luz blanca. LED RGB consta de 4 patillas: el colector común, el color rojo (Red), el verde (Green) y el azul (Blue). Cambia el color en función de la intensidad.

34 LED’S BLANCOS vs LED’S RGB Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED 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 (cold-cathode fluorescent lamp)

35 LED’S BLANCOS vs LED’S RGB Microelectrónica – Dispositivos fotónicos Introducción Fotoconductores Fotodiodos Células solares LED LED blanco. Reproduce hasta un 70% de la gama de colores del NTSC en un LCD. Picos en el espectro de color  no ideal para la reproducción fotográfica. Más sencillos de manejar. 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