Optoeletrônica - fotodetectores e fotoemissores Germano Maioli Penello Universidade do Estado do...
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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
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
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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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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
•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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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
•Absorção e emissão de um átomo
•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!
•Radiação de corpo negro
•Absorção e emissão de um átomo
•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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Absorção e emissão de luz
http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
Raias de emissão Raias de absorção
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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Absorção e emissão de luz
Raias de emissão Raias de absorção
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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Absorção e emissão de luz
http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
Raias de emissão Raias de absorção
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
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
Junção pn (polarização direta)
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LED
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
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:
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Cristal
Espelho parcialmente refletor
Espelho totalmente refletor
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LASER
Construindo um laser:
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Cristal
Espelho parcialmente refletor
Espelho totalmente refletor
E
Emissão espontânea
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LASER
Construindo um laser:
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Cristal
Espelho parcialmente refletor
Espelho totalmente refletor
n=1
E
Emissão estimulada
Luz emitida pelo laser
Meio de ganho
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LASER
Construindo um laser:
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Cristal
Espelho parcialmente refletor
Espelho totalmente refletor
n=1
E
Emissão estimulada
Luz emitida pelo laser
Meio de ganho
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LASER
Construindo um laser:
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Cristal
Espelho parcialmente refletor
Espelho totalmente refletor
Luz emitida pelo laser
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
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
Absorção intrabanda
Absorção intrabanda
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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Inovações tecnológicas
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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Inovações tecnológicas
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
Óptica + eletrônica
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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