Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.
Transcript of Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.
![Page 1: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/1.jpg)
Junção p-n
BC
BV
Ed
tipo – n
BC
BV
Ea
tipo – p
![Page 2: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/2.jpg)
BC
BV
Ed
tipo – n
BC
BV
Ea
tipo – p
Difusão de elétrons para o lado p e de buracos para o lado n
![Page 3: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/3.jpg)
BC
BV
+
tipo – n
BC
BV
-
-
tipo – p
+
e
Região de cargas fixas
Fluxo de e
Fluxo de b
Surgimento de um campo elétrico intrínseco
![Page 4: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/4.jpg)
BC
BV
+
tipo – n
BC
BV
-
--
-
tipo – p
+++
e
Região de cargas fixas
Aumento do campo elétrico intrínseco
![Page 5: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/5.jpg)
BC
BV
+
tipo – n
BC
BV
-
--
-
tipo – p
+++
e
Região de cargas fixas
Cargas negativas
fixas
Cargas positivas
fixas
Equilíbrio
DifusãoX
Deriva
![Page 6: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/6.jpg)
BC
BV
+
tipo – n
BC
BV
-
--
-
tipo – p
+++
e
V(x)
x
Região neutra p Região neutra nCargas
negativasfixas
Cargas positivas
fixas
Região de depleção
![Page 7: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/7.jpg)
tipo – n
BC
BV
tipo – pe
Região neutra p
Região neutra n
eV0
EF
![Page 8: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/8.jpg)
BC
BV
e
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!
Junção p-n com aplicação de potencial
![Page 9: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/9.jpg)
BC
BV
e
eV0
tipo – p tipo – n
Portadores majoritáriosPortadores minoritários
Corrente de arraste: iaCorrente de difusão: id
Excitação térmica
Corrente de arraste: barreira eV0 não influi
Corrente de difusão: barreira eV0 influi muito
![Page 10: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/10.jpg)
BC
BV
e
eV
tipo – p tipo – n
Corrente de arraste: ia
-+Polarização direta
Corrente de difusão: id
Aumento da corrente de difusão
Potencial diminui
Diminuição da região de depleção e do campo elétrico intrinseco
Corrente medida
![Page 11: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/11.jpg)
BC
BV
e
eV
tipo – ptipo – n
Corrente de arraste: ia
+-Polarização reversa
Corrente de difusão: id
Diminuição da corrente de difusão
Potencial aumenta
Aumento da região de depleção e do campo elétrico intrinseco
Corrente medida
![Page 12: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/12.jpg)
Curva característica de um diodo
V
i
Polarização reversa
Polarização direta
![Page 13: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/13.jpg)
BC
BV
e
eV
tipo – p tipo – n
+-Polarização reversa
Corrente medida
Região ativa de um dispositivo: onde
geralmente estão as nanoestruturas
![Page 14: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/14.jpg)
Device Applications
Quantum dots were expected to lead to devices with better performance.In some cases this is already a reality.
• Quantum dot lasers
• LEDs
• QDIPs
![Page 15: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/15.jpg)
Quantum dot lasers• Calculations predicted better performance as a
consequence of the modified (delta-like) density of states. • Assumptions: dots with only one confined electron and
hole state, no external states to the dots, all dots of one size.
Longer relaxation time leads to a better temperature stability
Arakawa et al 82 Ledentsov et al 2000
![Page 16: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/16.jpg)
Quantum dot lasers
Weisbuch 1991
![Page 17: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/17.jpg)
Quantum dot lasers
Highlight: QD lasers operating at 1.3 mm on GaAs substrates.
Two approaches: a) low growth rates → large and uniform dots but with low density, which implies in low gain.
b) D-well structures → growth of InAs dots on InGaAs reduces the energy and increases the density.
19 A cm-2
Park et al 2000
17 A cm-2
(300 K)Sellers et al 2004
Future challenge reach 1.55 mm:
a) introduction of N to lower the gap.b) move to InP substrates (smaller mismatch).
![Page 18: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/18.jpg)
Quantum dot laser
5 times
![Page 19: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/19.jpg)
LEDs
Leds
Safira
GaN
![Page 20: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/20.jpg)
Quantum Dot (Mid-) Infra- red Photodetector (QDIP)
Applications of QDIPs for the 2-20 mm range:
TelecommunicationDetection of toxic gasesNight visionImagingEnvironment MonitoringMedicine
![Page 21: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/21.jpg)
(l mm)
E (eV)
E = hc/l = 1.24 /l (mm.eV)
1.010.0100.0 0.1 0.01
1.240.1240.0124 12.4 124
Espectro Eletromagnético
70
0 n
m
40
0 n
m
![Page 22: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/22.jpg)
![Page 23: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/23.jpg)
Detecção Infravermelha
Lei de Wienlp T = 2898 mm.K
![Page 24: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/24.jpg)
300 K ≈ 10 mm
700 K
Turbina:
Contramedida:
2000 K ≈ 1 mm
≈ 4 mm
![Page 25: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/25.jpg)
LWIRMWIR
SWIR
Faixas do Infravermelho
![Page 26: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/26.jpg)
Imageamento infravermelho: segurança industrial
![Page 27: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/27.jpg)
Telecomunicações – Free spaceJanela óptica em 10 mm
Taxa de erro menor que em outras janelas espectrais
![Page 28: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/28.jpg)
Controle de vazamento de gases
Emissor Receptor
Equipamento industrial
Vazamento Interrupção do sinal
![Page 29: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/29.jpg)
Tecnologias para detecção no infravermelho
1) Bolômetros: variação da resistência com a temperatura.
Características:
• Baixa sensibilidade• Resposta lenta• Baratos• Operam a 300K• Pouca seletividade espectral
![Page 30: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/30.jpg)
Tecnologias para detecção no infravermelho
2) MCT : absorção óptica banda-bandaHgxCd1-xTe
Características:
• Baixa homogeneidade• Lentos• Pouco resistentes mecanicamente
BV
BC
![Page 31: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/31.jpg)
Tecnologias para detecção no infravermelho
3) Família III-V: absorção óptica banda-banda
Vantagem:
Tecnologia mais desenvolvida
Desvantagem:
Não é possível atingir comprimentos de onda acima de 6 mm
Materiais: InGaAs, InSb etc
BV
BC
![Page 32: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/32.jpg)
Tecnologias para detecção no infravermelho
3) QWIPs (quantum well infrared photodetectors): absorção óptica intrabanda.
Vantagem:
Absorção mais seletiva
Desvantagem:
Não acopla radiação com incidência normal
E2 – E1
BChn
BV
![Page 33: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/33.jpg)
Seletividade dos QWIPs
109
1010
1011
Limites teóricos
![Page 34: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/34.jpg)
![Page 35: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/35.jpg)
Tecnologias para detecção no infravermelho
4) QDIP (quantum dot infrared photodetectors): absorção óptica intrabanda
Vantagens:• acopla radiação com incidência normal• corrente de escuro inferior
Desvantagens:• homogeneidade • reprodutibilidade• densidade de pontos quânticos
![Page 36: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/36.jpg)
Estruturas D-WellIn
P
InG
aAs
InA
s
124 meV
200 Å 200 Å85 ÅQW QD
InP
En
erg
ia
Posição
BC
InP
InGaAs QW
QD
Cre
scim
ento
![Page 37: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/37.jpg)
Processamento de dispositivos
![Page 38: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/38.jpg)
Caracterização de QWIPs
40
50
60
![Page 39: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/39.jpg)
Caracterização dos dispositivos QDIPs
5 10 150
5
10
15
20
25
sample 996
5 K
20 K
40 K
60 K
80 K
100 K
120 K
Photo
curr
ent
(arb
. u.)
wavelength (µm) 0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
sample 990
ph
oto
curr
ent
(arb
. u.)
wavelength (µm)
5K 30mV 5K 5mV 5K -5mV
0 5 10 15 20 25
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
120 K
100 K
40 K
60 K
5 K
20 K
80 K
sample 997
Photo
curr
ent
(arb
. u.)
wavelength (m)3 4 5 6 7 8
45° p-polarization
45° s-polarization
45° unpolarized
normal incidence
Ph
oto
cu
rren
t in
ten
sit
y (
arb
. u
.)
wavelength (µm)
780
![Page 40: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/40.jpg)
Pontos quânticos para transistor de um único
elétron e para emissão de fótons um a um
![Page 41: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/41.jpg)
Transistor de elétron único
GaAs/AlGaAsH.W. Schumacher
(1999)Hannover,Germany
100 x 200 nm2
Baseia-se no efeito de tunelamento quântico
![Page 42: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/42.jpg)
![Page 43: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/43.jpg)
Lembrando o funcionamento do MOSFET
metalisolante
semicondutorEF
EFEF
EFs
EFs
EFs
Camada de inversão
![Page 44: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/44.jpg)
Canal de condução é induzido
![Page 45: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/45.jpg)
Using lateral confinement induced by an electric field
![Page 46: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/46.jpg)
![Page 47: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/47.jpg)
Single Dot Devices
Single photon emitters for cryptography:
• Emission wavelengths of In(Ga)As dots match the transmission wavelengths of optical fibers.
• Electrical trigger is possible with a pin structure.
• Radiative lifetime of 1 ns allows for data transmission rates between 10 and 100 MHz.
• Dots can be incorporated into micro-resonators for high efficiency photon extraction.
Quantum information processing• Uses two states of the quantum dots.• Long coherence times.• Ultrafast optical addressing.• Compatibility with standard electronics.
Guimaraes 2005
![Page 48: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/48.jpg)
![Page 49: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/49.jpg)
![Page 50: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/50.jpg)
![Page 51: Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062312/552fc13c497959413d8dab4d/html5/thumbnails/51.jpg)
Bibliografia
• Materiais e Dispositivos Eletrônicos, Sérgio Rezende, Editora Livraria da Física, Segunda edição, Capítulos 6 a 8.
• Quantum dot heterostructure laser, Ledentsov, N.N.; Grundmann, M.; Heinrichsdorff, F.; Bimberg, D.; Ustinov, V.M.; Zhukov, A.E.; Maximov, M.V.; Alferov, Zh.I.; Lott, J.A.;Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal ofVolume 6, Issue 3, May-June 2000 Page(s):439 - 451
• New physics and devices based on self-assembled semiconductor quantum dots. D. J. Mowbray and M. S. Skolnick, Journal of Physics D:Applied Physics 38, 2059 (2005).
• Quantum Dots and Nanowires Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition for Optoelectronic Device Applications, H. H. Tan, K. Sears, S. Mokkapati, L. Fu, Yong Kim, P. McGowan, M. Buda and C. Jagadashi, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12 (6), 1242 (2006).
• Semiconductor Quantum Dot Nanostructures: Their Application in a New Class of Infrared Photodetectors, E. Towe e D. Pan, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (3), 1242 (2000).
Outros artigos disponíveis no site.