dpto. electrÓnica, automÁtica e informÁtica … · el diodo de emisión de luz (led) evolución...

OPTOELECTRÓNICA-ELAI Tema 4 1

DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL


Tema 4 – FotoemisoresTipos de emisores

Emisión por excitación térmicaFotoluminiscenciaCadoluminiscenciaElectroluminiscencia

El diodo de emisión de luz (LED) Evolución históricaCaracterísticas generalesProcesos de recombinación (radiativa y no radiativa)Sistemas de materiales para el LEDFuncionamiento del LED Estructuras de un LED Aplicaciones de LEDs

El diodo Láser Emisión espontánea y estimulada La estructura del Láser: la cavidad óptica Descripción del funcionamiento de un LáserCaracterísticas del LáserTipos de Láser

Aplicaciones del Láser


EmisoresLuminiscencia: emisión de luz por un sólido cuando recibe alguna forma de energía

• Incandescencia: Se eleva la temperatura de un cuerpo sólido por encima de los 1.000 K.

• Fotoluminiscencia: La radiación (fotones) es absorbida por alguna sustancia y reenviada con un cambio en su longitud de onda. – Fluorescencia: Las emisiones cesan tras el final de las radiaciones. – Fosforescencia: Las emisiones continúan tras el cese de las

radiaciones. • Catodoluminiscencia: Algunos materiales (llamados "fósforos" )

emiten luz cuando se les bombardea con electrones (tubos de rayos catódicos).

•• ElectroluminiscenciaElectroluminiscencia: Se hace pasar una corriente eléctrica a través de algunos cuerpos sólidos. Descarga en un gas: Se hace pasar una corriente eléctrica a través de un gas. Quimioluminiscencia: Algunas reacciones químicas provocan la emisión de luz.


2s Banda

Energía de bandassolapadas

bandas

Electrones2s2p

3s3p

1s 1sSÓLIDOÁTOMO

E = 0

Electrón libreEnergía electrón, E

2p Banda3s Banda

Nivel de vacío

En un material las energías de las bandas solapadas dan como resultado una banda de energía única parcialmente completa de electrones. Hay estados con energías por encima del nivel de vacío dónde el electrón es libre.


Fotoluminiscencia

La absorción-excitación de luz por Fotoluminiscencia, produce emisión no radiativa y emisión de luz y retorno al estado E1 . (Los niveles de energía han sido desplazados horizontalmente para mayor claridad)

Patrón de energía de centros de luminiscencia

E1

Emisión no radiativa

ExcitaciónE′1

E′2

E2

,Emisión no radiativa

Emisión luminiscente,

hνem

hνex


Ejemplo de Fósforos

Fósforo ActivadorEmisión Ejemplo Comentario

útil excitación o aplicación


Requerimientos de una fuente ópticaCompatibles con el acoplamiento de la luz en la fibra.

Idealmente: altamente direccional

Debe seguir exactamente a la señal eléctrica

Longitud de onda coincidente o cercana a aquella

donde la fibra tiene baja pérdida y dispersión

Potencia debe sobrepasar todas las pérdidas del trayecto

Espectro angosto para minimizar la dispersión

Salida estable

Económica


Electroluminiscencia de inyección Fuentes de luz

Fuente de luz: convierte señal eléctrica en señal óptica

Las longitudes de onda más utilizadas en telecomunicación son:• 850 nm (distancias cortas)• 1310 nm (No dispersión del material, Datacom/Telecom)• 1550 nm (fibras monomodo, Telecom)

Dos tipos de fuentes ‘semiconductoras’ en la transmisión de

fibra óptica (se pueden modular directamente)

• LED (Light Emitting Diode)• LD (Laser Diode)


Ventajas y desventajas del Led respecto del Láser

• Frecuencia de modulaciónmás alta

• Potencia óptica alta(LD: mW / LED:μW)

• Acoplamiento de la fibrala fuente más eficiente

• Ancho espectral másestrecho (luego menordispersión cromática)

• Efecto láser comienza desde un corriente umbral (50mA): ‘drive current’ más alta

• Electrónica más complicada• Más caro• Vida útil más corta (debido

a las corrientes más altas)

Ventajas del Láser Desventajas del Láser

Generalmente, se utiliza Láser en telecomunicaciones,y LED en transmisión de datos (LAN)


(a) Vista simplificada en dos dimensiones de un cristal de Si(b) Diagrama de bandas de energía de electrones en el cristal

de Si a temperatura del cero absoluto

Semiconductor intrínseco

Ec

Ev

0

Ec+χ

(b)

Bandgap= Eg

(a)

Núcleo del ión de Si

Enlace covalente

Energía del electrón

Banda de conducción (BC)Ningún electrón a 0K

Banda de valencia (BV)Lleno de electrones a 0K


e–

BC

BV

Ec

Ev

0

Ec+χ

Ege libre e–hυ > E

g

Hueco h+

hυ

(a) (b)

Energía E del electrón

hueco

Generación par electrón-hueco

(a) Un fotón con enrgía mayor que Eg puede excitar a un electrón haciéndolo pasar de la BV a la BC

(b) Cada línea representa un enlace entre átomos de Si. Cuando un fotón rompe el enlace Si-Si, se generan un electrón libre y un hueco


a) De los cinco electrones del As, cuatro forman enlaces con átomos de Si yuno queda como electrón libre en la BC

b) Diagrama de bandas de energía para un cristal de Si tipo n con 1 ppm de As. Se producen niveles de energía de donores justo de bajo de EC

e–

(a)

As+

x

As+ As+ As+ As+

EcEd

CB

Ev

~0.05 eV

Un átomo de As cada 106 átomos de Si

Distancia dentrodel cristal

(b)Energía E del electrón

Semiconductor dopado con átomo donor


Semiconductor dopado con átomo aceptador

a) Cristal de Si dopado con B, que sólo tiene tres electrones de valencia que formarán enlaces con átomos de Si y un enlace queda sin completar formado un hueco en la BVb) Diagrama de bandas de energía para un cristal de Si tipo p con 1 ppm de B. Se producen niveles de energía de aceptadores en la BV

B–h+

(a)

x

B–

Ev

Ea ~0.05 eV

B–B–

B–

h+

BV

Ec

(b)

Un átomo de B cada 106 átomos de SiDistancia dentrodel cristal

Energía E del electrón


Ec

Ev

EFi

BC

EFp

EFn

Ec

Ev

Ec

EvBV

(a) (c)(b)

Semiconductores intrínseco y extrínseco

Diagrama de bandas de energía para un semiconductor a) intrínseco b)extrínseco tipo n y c) extrínseco tipo pEn todos los casos n p = ni

2

No se muestran los niveles de energía de donores y aceptadores


Luminiscencia no característica.

EC

Ed

Ea

Ev

a) b) c) d)

a) Las parejas electrón hueco generadas por absorción de fotón, b) Los huecos son rápidamente atrapados en la zona aceptora c) Antes de que tenga lugar la recombinación, el electrón puede pasar algún tiempo

atrapado en la zona donadorad) Finalmente, los electrones pueden recombinarse con estos huecos atrapados,

dando lugar a emisión luminiscente

Procesos de generación y recombinación electrón-hueco en materiales de luminiscencia no característica.


Emisión luminiscente

Eg

hυ > Eg

TrampasLuminiscencia de centros activos

Ec

Ev

BC

BV

EtD

A R

R

hυ <Eg

a b c d

Termalización

Recombinación

a) Fotoluminiscencia, b) y c) Luminiscencia característicad) Luminiscencia no característica


Construcción de un dispositivo electroluminiscente en corriente alterna y contínua

Cubierta de cristal

Electrodo transparente generalmente Sn O2

Partículas de fósforo en un medio no conductor

Electrodo de metal

a)

b)Ánodo

transparenteSuperficie dobladade cobre

ZnS:Cu2 Mn

CátodoCubierta de Cu2S

a) Partículas de fósforo suspendidas en un medio aislante transparente entre medias de dos electrodos, uno de ellos transparente. Cuando se aplica una tensión alterna a los electrodos las partículas de fósforo emiten luz.b) Dispositivo electroluminiscente de corriente continua. Las partículas de fósforo tienen un revestimiento de Cux S. En condiciones normales se emite luz sólo de las partículas libres de Cux S.


Mecanismo de emisión luminiscente

Distancia

Fotón

EC

Ev

EC

Ev


a) Un electrón en un estado aceptor cruzan a través de la zona prohibida hacia estados de la misma energía. Sólo es capaz de hacer esto si hay presente un elevado campo eléctrico, provocando que la energía de banda se incline.

b) Un electrón en la banda de conducción ahora cae en el nivel vacante provocando emisión radiativa

a) b)


Mecanismo de emisión luminiscente

Fotón

Ev Ev Ev

EC EC EC


Distancia

Posible mecanismo de emisión luminiscente mediante proceso de avalancha. a) Un electrón que se mueva por la presencia de un campo eléctrico intenso puede

adquirir suficiente energía como para excitar un electrón de la banda de valencia a la de conducción.

b) El hueco que queda libre se traslada a un estado aceptor, liberándose de un electrón c) Finalmente, un electrón de la banda de conducción puede hacer una transferencia

radiativa hacia el nivel aceptor vacío


Luminancias típicas obtenidas en dispositivos electroluminiscentes

Luminancia(lux)

Tensión aplicada (V)

a.c.

d.c.


Flujo de los LEDs. Ley de Haitz´s

1960 1970 1980 1990 2000 2010Año

LED indicador

Fluj

o (lu

men

s)

1000

100

10

1

0.1

0.01

0.001

LED alta potencia


Eficiencia luminosa de fuentes de iluminación

1920 1940 1960 1980 2000 2020Año

LED alta potencia

Efic

ienc

ia lu

min

osa

(lm/W

)200

150

100

50

0

Fluorescente

IncandescenteIncandescente Estándar

LED blanco

Buen LED

Halogenuro metálico

Sodio alta presión

Vapor de mercurio

Halógeno Wolframio

Lámpara eléctricade descarga


Factor relativo de visibilidadU

ltrav

iole

ta

Infr

arro

jo

1,0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.4μm 0.5μm 0.556 μm 0.7μmλ(μm)


Diferentes colores de Leds emisores de luz

AlInGaP: InGaN:

AlInGaP

Rojo Ambar

Azul Royal Azul Cyan InGaN

Verde Blanco

(Blanco+fósforo)


Cuerpo negro

Radiación del cuerpo negro en la escala del visible

Cuero negro a varias temperaturas de color


Líneas isotérmicas de temperatura de color correlacionada (CCT) dibujado para el espacio de color CIT de 1931

Las lámparas halógenas y las bombillas incandescentes están entre 3000K-4000K y el ojo humano puede detectar cambios en la CCT en torno a ≈50K-100K. Fuentes visibles de iluminación múltiple al mismo tiempo pueden tener CCTs que están dentro de ≈50K-100K con coordenadas de cromaticidad cercana a la curva del cuerpo negro. Aunque una fuente de luz blanca pueda tener coordenadas de color cercanas a la curva del cuerpo negro, la fuente puede no entregar ese mismo color cuando ilumina un objeto


Rendimiento de colorUn objeto es rojo porque refleja las radiaciones luminosas rojas y absorbe todos los demás colores del espectro. Esto es válido si la fuente luminosa produce la suficiente cantidad de radiaciones en la zona roja del espectro visible. Para que una fuente de luz sea considerada como de buen “rendimiento de color, Ra”, debe emitir todos los colores del espectro visible. Si falta uno de ellos, este no podrá ser reflejado.Las propiedades de una fuente de luz, a los efectos de la reproducción de los colores, se valoran mediante el “Indice de Reproducción Cromática” (IRC) ó CRI (“Color Rendering Index”). Este factor se determina comparando el aspecto cromático que presentan los objetos iluminados por una fuente dada con el obtenido por una “luz de referencia”.Los espectros de las lámparas incandescentes ó de la luz del día se denominan “continuos” por cuanto contienen todas las radiaciones del espectro visible y se los considera óptimos en cuanto a la reproducción cromática; se dice que tienen un IRC= 100. En realidad ninguno de los dos es perfecto ni tampoco son iguales. (al espectro de la lámpara incandescente le falta componente “azul” mientras que a la luz del día “roja”)

Distribución espectral de una lámpara incan-descente Iluminante Standard CIE tipo A

Distribución espectral de la luz del día Normal Iluminante Standard CIE D65


Lugar geométrico del diagrama CIE Planckian

La capacidad de una fuente de iluminación para entregar colores verdaderos se resuelve mediante medidas del índice del color entregado en la escala Ra de 0 a 100. El sol del mediodía, las lámparas incandescentes y otros radiadores cercanos al cuerpo negro están en color rendering index (Ra) cerca de 100.


Distribución Espectral

Led blanco

Longitud de onda (nm)D

istri

buci

ón d

e po

tenc

ia

espe

ctra

l rel

ativ

aLed ámbar

Longitud de onda (nm)

Dis

tribu

ción

de

pote

ncia

es

pect

ral n

omin

al

400 450 500 550 600 650 700

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Vλ Ambar

Lámpara

de Halogenuro

mW

por

5 n

m p

or lu

men




A) Espectro Fluorescente

--- Cuerpo negro 3630K⎯ Fluorescente

CCT ≈3600K Ra =83

Fluj

o ra

dian

te a

.u.


B) Espectro pc-LED

CCT ≈4000K Ra =75

400 450 500 550 600 650 700 750 800

25

20

15

10

5

0400 450 500 550 600 650 700 750 800

70

60

50

40

30

20

10

0


Unión p-n polarizada directamente

Inyección de portadores minoritarios y la consiguiente recombinación radiativa con los portadores mayoritarios en una unión p-n polarizada directamente.

Ener

gía

Elec

trón

Distancia

Tipo pTipo n

EFEF

EC

EV

hν

hν


xx=0n

ppo

npo

log(n), log(p)

-eNa

eNdM

x

E(x)

B-h+

p n

M

As+

e–

Wp Wn

Neutral n-regionNeutral p-region

Vo

V(x)

x

PE(x)

Electrones PE(x)

(a)

(b)

(c)

(e)

(f)

x

–WpWn

(d)

0

eVo

x (g)

– eVo

HuecosPE(x)

–Eo

Eo

M

ρnet

M

Wn–Wp

nno

p o

ni

Región de deplexión


En el diagrama E-k de un semiconductor de gap directo como el GaAs, cada punto corresponde con un posible estado de energía, cuya función de onda es ψk (x) En el diagrama de bandas las energías correspondientes a EC y EV , no son soluciones de ψk (x)

kš /a–š /a

EC

EV

EC

EV

BC

Diagrama E-k

Llena ψk

Ocupado ψkh+

e-

Eg

e-

h+

hν

BV

Ek

Banda de conducción (BC)

Banda de valencia (BV)

Diagrama de bandas de energía

hν

Semiconductor de banda directa


EC

1 2 3 4 Fotones

EV

Recombinación radiativa1- Electrón-hueco libre2- Excitón libre3- Electrón-aceptor neutro4- Donador-aceptor

EC

1 2 3 4 Fonones

EV

Recombinación no radiativa1- Recombinación Auget intrínseca2- Recombinación Auget-aceptor neutro3- Recombinación Auget donador- aceptor4- Centros de recombinación con emisión de fonones

Tipos de recombinación


(a) El GaAs es un semiconductor de banda directa ya que el mínimo de su BC se produce para el mismo valor del módulo del vector de onda k del electrón que el máximo de la BV, la transición del electrón de la BV a la BC sólo requiere un ajuste de energía que se realiza mediante la emisión del fotón

(b) El Si es un semiconductor de banda indirecta, el mínimo de energía de la BC y el máximo de energía de la BV se producen para valores diferentes del módulo del vector k

(c) En la recombinación de un electrón y un hueco en el silicio para conservar el vector de onda, es necesario que se cree un fonón al mismo tiempo

E

BC

k–k(a)GaAs

E

BC

BV

Gap indirecto,Eg

k–k

kcb

(b)Si

E

k–k

Fonón

(c) Si con centros de recombinación

Gap directo Eg

Ec

EvEc

Ev

kvb BV

BCEr

Ec

Ev

Fotón

BV

Banda directa Banda indirecta Banda indirecta

Diagramas E-k correspondientes a un semiconductor de banda directa e indirecta


a) b)a) Generación del par electrón-hueco por absorción de un fotónb) Recombinación de un electrón hueco emitiendo un fotón

Absorción y emisión de fotones


Absorción y emisión

iAbsorción:Térmica: electrón pasa de E1 a E2 a causa de proceso térmico

Estimulada: un fotón con energía hν=E2-E1 incide y excita un electrón de E1 a E2.

iEmisiónEspontánea: el electrón retorna a E1 en forma aleatoria después

de un tiempo de vida τ (LED)

Estimulada: Un electrón que ha absorbido energía de un fotón y pasa al estado Es retorna al estado E1creándose un segundo fotón hν (LASER):


Propiedades de varios materiales semiconductores.

ElementoComponente

IV C i 5.47 227Si i 1.12 Sí 1.79x10 -21 1106Ge i 0.67 Sí 5.25x10 -20 1880

IV -VI SiC i 3.00 Sí 413(hex. α )

III -V AlP i 2.45 506AlN i 5.90 No 210AlSb i 1.50 826AlAs i 2.16 574GaN d 3.40 No 365GaP i 2.26 Sí 5.37x10 -20 549GaAs d 1.43 Sí 7.21x10 -16 861InN d 2.40 516InP d 1.35 Sí 1.26x10 -15 918InAs d 0.35 8.50x10 -17 3540InSb d 0.18 4.58x10 -17 6870

II -VI ZnO d 3.20 No 387ZnS( α ) d 3.80 No 326ZnS( β ) d 3.60 No 344ZnSe d 2.28 No 480ZnTe d 2.58 No 544CdS d 2.53 No 490CdSe d 1.74 No 712CdTe d 1.50 Sí 826

Grupo(s)Posibilidad de doparle tipo n o p

Gap directo/ indirecto

Eg (eV) B(m3s-1) λg (nm)


Recombinación relacionados con niveles de energía de impurezas

Tipos de recombinación por impurezas:En (a) un electrón se mueve de la banda de conducción al nivel aceptor vacío. En (b) un electrón en un nivel donador se recombina con un hueco de la banda de valencia. En (c) un electrón en un nivel donador cae a un nivel aceptor vacío. Este último proceso requiere que el nivel donador y aceptor estén físicamente cerca.


Energía del gap Eg y constante de red a para varios compuestos III-V: GaP, GaAs, InP y InAs. Una línea representa el compuesto ternario formado con los binarios de los extremos de la línea.. El área de la superficie amarilla representa compuestos de gap directo, mientras que el resto representa compuestos de gap indirecto. Una línea vertical representa a los diferentes compuestos con igual constante de red. La línea de X representa el cuaternario In1-x Gax Asy P1-y formado compuestos con igual constante de red por In0,535 Ga0,465 As e InP.

Energía del gap (Eg) vs constante de red (a)

0.20.4

0.60.8

11.21.4

1.61.8

22.2

2.42.6

0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62

GaP

InP

X

E g(eV)

Banda directaBanda indirecta

Constante de red, a(nm)

Compuesto cuaternario de banda directa

Compuesto cuaternario de banda indirecta

GaAs

In1-x Gax As

In0,535 Ga0,465 As

InAs

AlAsAlx Ga1-x As


Recombinación de excitones

• Los estados de excitón están entre los gaps de energía de los materiales semiconductores ultrapuros. Podemos ver estos estados de forma similar a los estados de Bohr en que un electrón y un hueco giraban alrededor de su centro común de gravedad separados una gran distancia. Átomos de la red

• El electrón y el hueco están débilmente unidos y los estados de excitón se sitúan justo por debajo de la banda de conducción.

Átomos de la red


Espectro de longitud de onda

E

g(E)

EF

E E

electrones

huecos

[1–f(E)]

nE (E)

Área=p

Ec

EvEv

Ec

0

Ec+χ

EF

BV

BC

(a) (b) (c) (d)g(E)∝(E–Ec)

1/2

pE (E)

ndE)E(nArea E ==∫

f(E) nE (E) o pE (E)

a) Diagrama de energía de bandas. b) Densidad de estados (número de estados por unidad de energía y por unidad de volumen. c) Función de probabilidad de Fermi-Dirac (probabilidad de ocupación de los estados. d) El producto de g(E) y f(E) es la densidad de energía de los electrones en la BC (número de electrones por unidad de energía y por unidad de volumen). El área bajo nE (E) vs E es la concentración de electrones.


VioletaGaN

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 λ(μm)

AmarilloGaAs.14 P.36

Verde NaranjaGa P:N GaAs.35 P.65

RojoGaP:ZnOGaAs.6 P.4

Infrarrojo cercano

In0,72 Ga.17 As.60 P.40GaAs In.83 Ga.17 As.34 P.66

Materiales Comercializados


Espectro de salida de un Si dopado y un Zn difuso en un LED de GaAs.

850 900 950

El GaAs es un semiconductor con gap directo con Eg =1,443 eV y con λg =869nm.Se pueden conseguir uniones p-n adecuadas por difusión de Zinc en cristales de GaAs tipo n. La radiación se deberá a transiciones banda a banda, sujetas a una fuerte reabsorción, reduciendo la eficacia del dispositivo y aumenta el pico de longitud de onda de emisión hasta 870nm. Diodos más eficaces usan silicio como dopante, dependiendo de las condiciones de crecimiento se obtiene material p o n. También se forman niveles aceptores complejos 0,1 eV por encima de la banda de valencia. Las transiciones entre estos niveles y la banda de conducción dan lugar a radiación con un pico de longitud de onda de emisión del orden de 1000nm, que no es sujeto de reabsorción.


Fosfuro de Galio GaP

EC ECS

Zn-OEg ≈

2,26 ev Eg ≈

1,8 ev

Verde RojoZn Zn

EV EV

El Fosfuro de Galio es un semiconductor de gap indirecto con Eg =2,26eV y λg =549nm, donde no suelen producirse transiciones banda a banda. Impurificándolo con diferentes materiales, se consigue emisión roja, amarilla o verde. Se pueden usar dopantes en transiciones radiativas. Estos reemplazan a los átomos de Fósforo y forman centros de recombinación llamados trampas isoelectrónicas. Empleando niveles incrementados de dopaje con Nitrógeno y también con Zinc y Oxígeno simultáneamente se llega a unas trampas más profundas y consecuentemente mayores longitudes de onda de emisión.


Arsenofosfuro de Galio (GaAs1-x Px )E

NE

RG

ÍA D

EL

GA

P (e

v)

T=300KGaAs1-x Px

Gap indirectoBanda de Conducción

Gap directo Banda deValencia

k0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0GaAS GaP MOMENTO K

FRACCIÓN MOLAR

x

X=0,45Eg=1,977ev


LED de GaAsPContactos eléctricos

Contactos eléctricos

Máscara de difusión

5 μm

50 μm

200 μmSubstrato n-Ga As

n-Ga As0,6 P0,4

p-Ga As0,6 P0,4

Corte de un LED estándar de emisión roja basado en GaAsP. Una capa de tipo n de GaAs0,6 P0,4 (usando Teluro como dopante) es depositada por una fase de vapor en un substrato de GaAs. Se forma una unión p-n por difusión de Zn a través de una máscara de difusión. El pequeño contacto de aluminio de la parte superior permite que escape la mayor radiación posible; cualquier radiación que circule por debajo es casi completamente absorbida por el GaAs.


Características de los materiales más empleados en LEDs.

Material Dopante Emisión máxima (nm) Color Eficacia cuántica externa (%) GaAs Si 910→1020 Infrarrojo 10

GaxAl1-xAs(1<x<0.7) Si 879→890 Infrarrojo 15 GaP Zn,O 700 Rojo 4

GaAs0.6P0.4 650 Rojo 0.2 Ga0.6Al0.4As Zn 650 Rojo 15 GaAs0.35P0.65 N 632 Naranja 0.2

GaP N,N 590 Amarillo 0.1 AlInGaP 570 Amarillo 1

GaP N 555 Verde 0.1 Zn0.9Cd0.1Se 489 Azul 1.3

SiC 470 Azul 0.03 In0.06Ga0.94As Zn 450 Azul 3.8


Generación de luz blanca

Pico azulPico verde

Pico rojo

Espectro LED UV

EspectroCombinado Espectro

CombinadoEspectroFósforo

EspectrFósforo

470 525 590 630 (nm)

410 470 525 590 630 (nm)

470 525 590 630 (nm)

EspectroLED azul

A. Mezcla de tres LEDS (rojo, verde y azul, RBG), emitiendo fotones en longitudes de onda y relaciones de potencia apropiadas.

B. Led ultravioleta para emitir una combinación de rojo, verde y azul creada por un fósforo C. Leds azules de InGaN con fósforo amarillo

A B C


Balance de luminancia debido a la mezcla de emisión de Leds de tres diferentes colores (RBG) en el interior del triángulo.

520nm verde

4.6lm rojo+10 lm verde+1lm azul

CurvaPlanckian

Blanco DS65:

4.6lm Rojo+10lm Verde+1lm Azul

Coordenada x

Coo

rden

ada

y

1 lm rojo+1 lm verde+1lm azul

627nm rojo

467nm azul


Led azul de InGaN con Fósforo amarillo

Coordenadas x,y del fósforo amarillo

Curva cuerpo negro

Diagrama de cromaticidad CIE 1931

CIE Iluminante CLed InGaN+Fósforo amarillo= blanco ≈8000K

Led InGaN azul470nm≈5500K típico

Fabricación de Leds blancos combinando en el mismo chip Leds azules de InGaN con fósforo (Pc-Led) que modifican la longitud de onda. La luz azul emitida por el Led INGaN es absorbida por la emisión amarilla del fósforo y reemitida como una longitud de onda larga fosforescente, generando luz blanca por la mezcla de dos bandas de emisión


Sección transversal de un Led basado en InGaN. Estructura flip-chip

Unión Luz Reflector plateado

ZafiroInGaN

Substrato de silicioUnión metálica

Estructura Flip-Chip: Led azul y fósforo en el interior del Led encapsulado.El reemplazamiento de la capa delgada actual extendida en los Leds convencionales por el contacto metálico grueso y opaco de estos LEDs flip-chip, permite operar a mayores densidades de corriente con fiabilidad alta.


Eficiencia ópticaÓxido p-GaAsP

n-GaAsP

GaAsP-Región graduada

GaP- Substrato

Aire

n2

GaAsP

n1

Fuente de luz

θ2

θC

θ1

1

2

3

Fenómeno de reflexión total interna. Cuando un rayo de luz incide con un ángulo θ1 en una superficie entre dos medios de índices de refracción n1 y n2 (n1 > n2 ) entonces el rayo de refracción (rayo 1) forma un ángulo θ2 con la normal a la superficie, donde n1 senθ1 = n2 senθ2 (ley de Snell). Para el ángulo crítico (θ1 =θC ), θ2 =90º (rayo2) y el rayo de refracción no cruzará la superficie y quedará en ella. Para ángulos de incidencia mayores que θC (rayo 3), el rayo se reflejará totalmente en el medio inicial.


Construcción de Leds

Dos métodos empleados para reducir las pérdidas de reflexión en LEDs. En (a) el material p está hecho en forma semiesférica, así golpea más radiación a la superficie de contacto semiconductor-aire en un ángulo menor al crítico que para cualquier otra forma geométrica. En (b) la unión p-n está rodeada de un encapsulado de plástico de alto índice de refracción. Las pérdidas en esa superficie son menores que si tenemos directamente el semiconductor en contacto con el aire.


Construcción del LED Ga As1-x Px


Distribución de la radiación espacial de un LED


Longitudes de onda para diferentes materiales


Azul, Azul royal, Cyan,

Verde, Blanco (InGaN)

Rojo, Naranja,

Ambar(AlInGaP)

ΔV ≈ - 2mV/ºC

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3.5 4Voltaje directo (V)

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Cor

rien

te d

irec

ta (m

A)

8 0 0 9 0 0

–40°C

25°C

85°C

0

1

7 4 0 8 4 0 8 8 0


Potencia espectralrelativa de salida

Espectro de salida del Led de AlGaAs, para valores normalizados del pico de emisión a 25ºC

Efecto de la temperatura


(a) Diagrama de bandas de energía de una unión p-n+ sin polarizar(b) Unión con polarización directa. La reducción del potencial permite la difusión de

electrones que penetran en la zona p. La recombinación producida en la proximidad de la unión genera fotones.

Homounión

hυ - Eg

Eg (b)

V

(a)

p n+

Eg

eVo

EF

p n+

Ec

Ev

Ec

Ev

EF

eVo


Distancia hacia el interior del dispositivo

Electrones en BCHuecos en BV

Interfaz entre dos semiconductores con diferentes dopados e igual Eg.


Heterounión

Interfaz entre dos semiconductores con diferentesenergías del gap Eg.Heterounión doble = dos heterounionesConfinamiento de la luz en la región activa a causa de:• Concentración de electrones en región activa• Índice de refracción más alto en región activa: guía de

ondaReducción de la corriente umbral • Homounión: corriente umbral = 1 A• Heterounión: corriente umbral: 50 - 200 mA


2eV

2eVeVo

Huecos en la BV

Electrones en BC

1.4eV

Ec

EvEc

Ev

EFEF

(d)

pn+ p

ΔEc

ppn+

~0.2μmGaAs AlGaAsAlGaAs

GaAs AlGaAsAlGaAs

(a)

(b)

(c)

Con polarización directa

Sin polarizar

Heterounión

a) Heterounión formada por dos homouniones con semiconductores de energías del gap distintas (GaAs Eg ≈

1,4 eV y AlGaAs Eg ≈

2 eV )

b) Diagrama de bandas de energía simplificado sin polarizar, por tanto EF debe permanecer constante

c) Diagrama de bandas de energía simplificado con polarización directa.

d) Led con polarización directa se produce el confinamiento de la luz en la región activa a causa de la concentración de electrones en región activa y del índice de refracción más alto en región activa (guía de onda)


(a) SLED: LED de emisión superficial (b) ELED: LED de emisión lateral

Luz

LuzDoble heteroestructura

También llamdado: LED Burrus, Surface emitting LED (SLED)

Emisión restringida en una pequeña región activa

Potencia inyectada en una fibra típicamente del orden de -23 dBm (50 μW)

Eficiencia de acoplamiento 1-2%

Inglés: Edge Emitting LED (ELED)

El haz se emite con mayor direccionalidad, lo que permite un mejor acoplamiento a fibra óptica

Presenta la misma estructura de un láser LD pero con una capa antireflectiva en las caras para prevenir emisión estimulada

Guía de onda en la región activa provoca un estrechamiento de la radiación

Potencia inyectada en una fibra típ.-13 dBm

Led de emisión superficial y de emisión lateral


ElectrodoSiO2(Aislante)

Electrodo

Fibra (multimodo)

Resina epoxy

Etched wellDouble heteroestructura

(a)

Fibra

Microlentes (Ti2O3:SiO2vidrio

(b)

Led de emisión superficial - SLED

La luz de un Led de emisión superficial es acoplada a una fibra multimodo usando una resina epoxy. La fibra está unida a la estructura del Led

El diagrama de radiación es isótropo con una anchura de haz a 3 dB de 120º en ambos planos perpendiculares a de la unión pn, considerado tipo Lambertiano

Las microlentes focalizan la luz divergente de un Led de emisión superficial hacia el interior de una fibra multimodo

Se consigue un mejor acoplamiento

La eficiencia de acoplamiento llega al 15%


Led de emisión lateral – ELED Estructura de doble heterounión

AislanteFranja del electrodo

ubstrateElectrodo

Región activa (región de emisión)

p+-InP(Eg =1.35eV,

n+-InP(Eg=1.35eV,Cubierta/substrato

n-InGaAs(Eg≈ 0.83eV,Capa activa)

Caminosde corriente

L

60-70μm

Grano de luz

p+-InGaAsP(Eg≈1eV,

n+-InGaAsP (Eg≈1eV,Capa confinada) 12 3200-300μm

Capa confinada)Capa confinada)

Superficie reflectante

Las capas de confinamiento realizan el confinamiento de los electrones, de huecos y de fotones, provocando que la luz salga al exterior por el borde del Led. El plano de radiación resultante no es isótropo su anchura a 3 dB es de unos 30º en dicho plano y de 120º en el plano paralelo al de la unión. El ELED proporciona menos potencia al exterior que el SLED, pero acopla una mayor potencia óptica a fibras de apertura numérica baja (AN<0,3), debido a la mayor directividad de su patrón de radiación. Los ELED se utilizan mas que los SLED en el acoplamiento con fibras monomodo.La anchura de banda del ELED es superior al SLED. Los ELED son capaces de soportar velocidades de modulación superiores a los SLED a igualdad de corriente de polarización (hasta cientos de MHz)


(a)

GRIN- Lente

(b)

Capa activa

ELED ELEDLente

Fibra multimodoFibra monomodo

La luz proveniente de un ELED es acoplada a la fibra usando una lente hemisférica para colimar los rayos de luz hacia el interior de la fibra multimodo o una lente de gradiente de índice (GRIN) para enfocar los rayos de luz hacia una fibra óptica monomodo

Acoplamiento entre Led y Fibra óptica


LÁSEREl láser es un proceso que realiza una transformación de energía externa (eléctrica, óptica, química) en energía luminosa de características especiales como son:

Ser monocromática, es decir, que se emite en una longitud de onda concreta.Presentar coherencia, por emitirse en el mismo momento. Esto indica que todas sus ondas van en fase. (Los fotones emitidos tienen la misma energía y vector de ondas que los fotones incidentes).Es direccional, se transmite en forma de un haz muy fino sin divergencia.Es altamente brillante, o de gran densidad fotónica.Capacidad de enfoque.


E1

E2

hυ

(a) Absorción

hυ

(b) Emisión espontánea

hυ

(c) Emisión estimulada

Entradahυ

Salidahυ

E2 E2

E1 E1

Absorción y emisión

Emisión espontánea: LEDEmisión estimulada: luz coherente: Laser. Los fotones presentanla misma frecuencia y la misma faseEquilibrio: absorción estimulada cancela emisión espontánea


Principio de Láser. Procesos de bombeo

E1

hυ13 E2Estado

metaestable

E1

E3

E2

hυ32

E1

E3

E2

E1

E3

E2

hυ21hυ21

FotonesCoherentes

Salida

(a) (b) (c) (d)

E3

Entrada

a) Se bombean electrones en el nivel E1 alcanzando el nivel E3 por absorción de fotones de energía hν13 = E3 -E1

b) Los electrones en el nivel E3 rápidamente decaen al estado metaestable E2 emitiendo fotones o vibración en la red, cuya energía es hν32 = E3 -E2

c) Como los estados a E2 es duradero, este estado se puebla rápidamente, produciéndose una inversión de la población entre E2 y E1 .

d) Un fotón aleatorio (de un decaimiento espontáneo) de energía h21 = E2 –E1 puede comenzar estimulado la emisión. Los fotones de esta emisión estimulada producen a su vez una avalancha de emisiones estimulada, emitiéndose fotones coherentes.


Cavidad resonante

La cavidad resonante potencia la emisión láser consistente en colocar dos espejos en los dos extremos del emisor, uno de ellos semitransparente. La radiación oscila entre uno y otro, descargando cada vez mas átomos, hasta que al adquirir suficiente intensidad sale al exterior por el espejo semitransparente


Cavidad resonante en un medio láser

La cavidad resonante o resonador consiste en dos espejos enfrentados, uno de ellos con una reflectancia lo más próxima a la unidad (100%) y el otro con una reflectancia un poco menor (90%). De esta manera se consigue confinar la luz emitida en dirección perpendicular a los espejos en una región limitada, logrando así que estos fotones pasen a través del medio activo numerosas veces

L

PiPf

R1R2

Steady state EM oscillations

Reflectingsurface

Reflectingsurface

Cavity axis x12

Ef Ei


Funcionamiento del Láser Láser de tres niveles

El nivel fundamental de energía es a su vez el nivel láser inferior, el nivel energético superior es un estado excitado de vida media muy corta y el nivel energético inferior es un estado metaestable que actúa como nivel láser superior. Para producir la inversión de población, muchos átomos deben ser excitados al nivel superior, requiriendo esta situación mucha energía

Salida

1550 nm1550 nm

980 nm

Entrada


Funcionamiento del Láser Láser de cuatro niveles


Potencia de emisión de un láser y de una fuente de emisión espontánea

λΔ+λ=λ centralLaser


Divergencia

Tubo Láser

Radiación Láser

θ Δr

L

θ

El rayo de salida del Láser tiene una divergencia caracterizada por el ángulo 2θ

(en la gráfica está exageradamente remarcado)


Semiconductor de gap directo1.Esquema de bandas de un semiconductor de gap directo. Donde EFv y EFc representan los niveles de Fermi en las bandas de valencia y conducción

Al polarizarse el diodo láser en directa, se modifican los niveles de Fermi de las bandas de conducción y valencia, acumulándose un exceso de huecos en la banda de valencia y un exceso de electrones en la de conducción. La condición umbral para que se inicie la amplificación precisa que dentro de la región activa, el nivel de Fermi de la banda de valencia sea menor que su borde superior y que el nivel de Fermi de la banda de conducción sea mayor que su borde inferior


Láser de semiconductor

1.Niveles involucrados en la acción láser de una región de transición de una unión pn degenerada.


a) Diagrama de energía de bandas de una unión pn degenerada y sin polarizarb) Diagrama de bandas con polarización directa, habiéndose producido la inversión

de la población y la emisión estimulada

p+ n+

EFc

(a)

Eg

Ev

Ec

Ev

Huecos en BVElectrones en BC

Unión

Electrones Ec

p+

Eg

V

n+

(b)

EFc

eV

EFv

Región de inversión

EFv

Ec

Ec

eVo

Diodo Láser


hυEg

Ganancia óptica EFc− EFv

Absorción óptica

0

Energía

Ec

Ev

BC

BV

Densidad de estados

Electronesen BC

Huecos en BV= estados vacios

EFc

EFv

eV

At T > 0

At T = 0

(a) (b)

a) Densidad de estados y distribución de energía de electrones y huecos en las bandas de conducción y valencia respectivamente a T≈0 de una unión pn con polarización directa de forma que

b) Ganancia vs energía del fotóngFvFc EEE >−

Inversión de la población


Efecto de la temperatura sobre la potenciaEn este tipo de Láser se debe controlar la temperatura pues pequeñas variaciones de ésta pueden modificar sensiblemente la potencia emitida

La variación de temperatura también afectará a las características espectrales, se produce un descenso de las frecuencias de resonancia y un desplazamiento hacia frecuencias menores del espectro de ganancia, produciendo un aumento de la longitud de onda emitida con la temperatura y una serie de saltos de esa longitud de onda para ciertas temperaturas.


Intensidad luminosa vs corriente de alimentación

Al aumentar la corriente de alimentación (o análogamente la tensión de polarización hasta conseguir que se cumpla ), se alcanza un nivel umbral donde se invierte la población de electrones y comienza la acción láser

gFvFc EEE >−


Amplificación Láser

Coeficiente de ganancia máxima, γp , en función de la densidad de corriente J para el modelo lineal. Cuando J=JT el material es transparente y no muestra ganancia o pérdida.


Láser de inyección formado por una unión pn polarizada directamente con dos superficies

paralelas que actúan como reflectores

Superficie reflectante Superficie

reflectante

L


Densidad de corriente umbral vs espesor de la capa

Dependencia de la densidad de corriente umbral Jt con el espesor de la capa activa, l. La doble heteroestructura presenta un valor más bajo de Jt que la homoestructura láser y por tanto superior rendimiento.


Potencia de salida de un láser semiconductor en función de la corriente de alimentación.

λ

Laser

λ

Laser

i0

λ

LED

it

Emisión espontánea

Emisión estimulada

Potencia ópticaPotencia óptica

Potencia óptica

Potencia óptica


El láser de Fabry-Perot

AlturaH Anchura

W

Longitud L

Cavidad Fabry-Perot

Espejo dieléctrico

Rayo láser limitado porla difracción

Un oscilador óptico estará constituido por un medio amplificador y una estructura que proporciona realimentación positiva. Una forma sencilla de proporcionar la realimentación requerida es mediante una cavidad Fabry-Perot, que estará constituida por dos espejos separados una distancia L, siendo el material comprendido entre los mismos el medio de propagación. La cavidad se forma al embutir la heteroestructura entre dos espejos, es paralela al plano de la unión pn y está físicamente localizada en la zona activa del semiconductor La reflexión tiene lugar debido a la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire.


Espectro de emisión de un láser Fabry-Perot a partir del producto de la curva espectral de ganancia que compone su medio activo y del espectro periódico de la cavidad Fabry- Perot. Sólo aquellos modos cuya ganancia supera el valor de ganancia umbral son emitidos por el láser.

Modos en un Láser Fabry-Perot


Modos del LáserTEM00 TEM10 TEM00 TEM10

(b)

TEM01 TEM11 TEM01 TEM11(c) (d)

(a)

Cavidad óptica

Espejo esférico

Frentes de onda

a) Reproducción de los modos transversales en la cavidad óptica.b) Frentes de onda en la cavidad óptica c) Cuatro modos transversales de orden bajo en la cavidad transversa: los modos y sus campos. d) Modelos de Intensidad en los modos de c).


Confinamiento de la luz dentro de la zona activa

En el diodo láser horizontal una acción láser eficiente requiere el uso de resonadores ópticos, la realimentación que concentra la emisión estimulada en el plano de la unión, proviene de los bordes pulidos del cristal semiconductor que actúan como espejos debido al alto índice de refracción de los semiconductores, que hace que estas caras pulidas reflejen aproximadamente el 30 %.


Homoestructura y heteroestructura


Láser de heteroestructura

Esta estructura proporciona un confinamiento lateral para la luz, lo que reduce la corriente umbral hasta It ∼60mA.Usando esta estructura, es posible fabricar sobre el mismo sustrato semiconductor, muchos láseres paralelos tipo-tiras y así conseguir potencias de hasta 10 vatios en modo continuo.

Oxido aislante

Electrodo de tira

SubstrateElectrodo

Región activa donde J > Jth.(Región de emisión)

p-GaAs (Capa contacto)

n-GaAs (Substrato)

p-GaAs (Capa activa)

Caminocorriente

d

W

Superficie reflectanteRayoLáser

elíptico

p-AlxGa1-xAs (Capa confinada)

n-AlxGa1-xAs (Capa confinada) 12 3

Superficie reflectante

Substrato


Láseres guiados por ganancia

Crece en la parte superior de la estructura una tira metálica estrecha. El paso de la corriente por esta tira aumenta la ganancia y reduce el índice de refracción de la parte de la zona activa situada por debajo de la tira. El índice de refracción de la zona central es inferior al de las capas circundantes, con lo que esta estructura posee características opuestas a las de una guía de onda .

Los láseres guiados por ganancia presentan peores características que los guiados por índice, en particular la intensidad umbral es bastante mayor ( 50 a 60 mA), ya que la luz se propaga por un medio fuertemente absorbente fuera de la zona activa.


Láseres guiados por índice de refracción

a) Láser de heteroestructura enterrrada muy estrecha crecida sobre el substratob) Difusión selectiva de un dopante hacia la zona activa modificando su índice de refracciónc) Estructura de anchura variable. Se crecen capas de cristal sobre un canal crecido sobre el substratod) Estructura de capas dobladas y anchura constante crecidas sobre el substrato


Técnicas usadas en láseres guiados por índice para el confinamiento de la corriente de inyección dentro de la zona activa del dispositivo

a) Por difusión de dopantes de Zn o Cd tipo p en la capa nb) Implantación protónica de zonas de alta resistividad a ambos lados de la zona activac) Crecimiento de una hendidura en forma de tira interna en la zona activa sobre el substratod) Crecimiento de uniones pn en inversa a ambos lados de la zona activa


Láser monomodo

Tipos de Láseres monomodo• Láser de cavidad cortada y acoplada (C3)• Láser con reflectores de Bragg distribuidos (DBR)• Láser de realimentación distribuida (DFB)• Láser de pozos cuánticos (SQW)• Láser de emisión superficial (SELDs )• Láser de cavidad vertical (VCSEL)

Los láser de Fabry-Perot presentan una serie de desventajas, pues aunque se diseñen para que sólo un único modo longitudinal verifique la condición de ganancia umbral, en la práctica existen varios modos cuya ganancia es ligeramente inferior a la umbral en ausencia de modulación, de forma que al modular el láser adquieren ganancia suficiente para emitir radiación estimulada.


Láser de cavidad cortada y acoplada (C3)

Un láser de este tipo consiste básicamente en dos láseres Fabry-Perot independientes acoplados ópticamente entre si, de forma que su separación es de unas 5 μm.


Láser con reflectores de Bragg distribuidos (DBR)

El láser DBR, acrónimo de Distributed Bragg Reflector laser, es similar al láser de Fabry- Perot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos en frecuencia implementados por medio de reflectores Bragg a ambos lados de la cavidad. Dichos reflectores seleccionarán una de entre las frecuencias de oscilación de la cavidad activa

Corrugateddielectric structure

Distributed Braggreflector

(a) (b)

AB

Λ

q(λB/2n) = Λ

Active layer

(a) Distributed Bragg reflection (DBR) laser principle. (b) Partially reflected waves at the corrugations can only constitute a reflected wave when the wavelength satisfies the Bragg condition. Reflected waves A and B interfere constructive


Láser de realimentación distribuida (DFB)

El láser DFB, acrónimo de la denominación anglosajona Distributed FeedBack laser, se obtiene al incorporar una red de difracción de Bragg a la zona activa del dispositivo

a) Estructura de realimentación distribuida (DFB). b) Salida de la emisión umbral ideal c) Salida típica espectral de un Láser DFB

(a)

Potenciaóptica

λ (nm)

0.1 nm

Emisiónumbral Ideal

λλ B

(b) (c)


Láser de pozos cuánticos (SQW)

Si los pozos cuánticos se colocan en una unión pn de un diodo láser, permiten concentrar en capas muy finas los electrones y huecos, consiguiendo una eficaz recombinación de éstos que disminuye considerablemente la intensidad umbral.

Ec

Ev

E1

E’1

hυ= E1 –E’1

E


Capa activa BarreraEc

Ev

E

Láser de pozos cuánticos múltiples (MQW)

Uno de los problemas de los SQW es que a causa de tener una región activa tan estrecha el confinamiento óptico es muy pobre, lo que da lugar a altas pérdidas y a la negación de las ventajas potenciales de una corriente umbral baja. Para reducir estos problemas se usa el láser de múltiples pozos cuánticos ó MQW


Láser de cavidad vertical (VCSEL) La cavidad resonante está colocada perpendicularmente al plano de la capa activa. La luz resonará entre los espejos situados en la parte superior e inferior con lo que los fotones sólo pasarán a través de una muy pequeña longitud de la capa activa

Contacto

Emisión vertical

Espejo dieléctrico

Contacto

Substrato

λ /4n1

Capa activa

λ/4n 2 Espejo dieléctrico


Láser de diodo comercial.


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