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Resumo da aula passada Apresentação do Jhonas. Fontes de Luz. Formação de um sólido, exemplos usando átomos de H, Li e Na. Diferentes tipos de interações:

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1 Resumo da aula passada Apresentação do Jhonas. Fontes de Luz. Formação de um sólido, exemplos usando átomos de H, Li e Na. Diferentes tipos de interações: Coulomb, covalente, repulsão, Van der Waals. Formação de bandas. Cristal de NaCl, constante de Madelung. Classificação de sólidos: metal, semicondutor e isolante. Espectro de absorção e espectro de emissão. dispoptic

2 2dispoptic-2013 A wide range of energies can cause electrons to be excited from the valence band to the conduction band (absorption; figure shows electronic transitions, A, and corresponding absorption spectrum, B). electronic transitions, A absorption spectrum, B electronic transitions, A absorption spectrum, B

3 3dispoptic-2013 Excited electrons will drop from the bottom of the conduction band into the top of the valence band with the emission of light with a very narrow band width (emission; figure shows an electronic transition, A, and corresponding emission spectrum, B) electronic transitions, A absorption spectrum, B

4 4 Diagrama de Banda: Isolante com E gap grande EFEF ECEC EVEV Banda de condução (vazio) Banda de valência (cheio) E gap T > 0 dispoptic-2013 Em T = 0, a banda de valência inferior é preenchida com elétrons e a banda de condução está vazia, conseqüentemente condutividade zero. –A energia de Fermi E F está no meio da banda proibida (2-10 eV) entre as bandas de condução e valência. Em T > 0, os elétrons não são termicamente excitados da banda de valência à banda de condução, conseqüentemente também condutividade zero.

5 5 Em T = 0 K, elétrons tem 100% probabilidade de estar abaixo da energia de Fermi E F e 0% probabilidade de estar acima de E F. Em T > 0 K, probabilidade diminui abaixo de E F e aumenta acima de E F, provocando que a função degrau passe a ser mais suave (escorregadia?). Diagrama de Bandas: Função de preenchimento de Fermi-Dirac Probabilidade dos elétrons (férmions) serem encontrados em vários níveis de energia. Em TA, E – E F = 0.05 eV f(E) = 0.12 E – E F = 7.5 eV f(E) = 10 –129 Efeito enorme da dependência exponencial T > 0 T >> 0 T = 0 K dispoptic-2013 Fermi :

6 6 Diagrama de Banda: Metal EFEF E C,V EFEF Função de preenchimento Banda de energia a ser preenchida T > 0 T = 0 K preenchimento da banda. dispoptic-2013 Em T = 0, níveis de energia abaixo de E F são preenchidos com elétrons, entretanto todos os níveis acima de E F estão vazios. Os elétrons são livres para se movimentar dentro dos estados vazios da banda de condução com somente um pequeno campo elétrico aplicado E, teremos alta condutividade elétrica. Em T > 0, os elétrons tem uma probabilidade de serem termicamente excitados a partir de níveis abaixo do nível de energia de Fermi para acima.

7 7 Junção pn, diodos, LEDs e diodos lasers Semicondutor tipo p, tipo n Junção pn, circuitos diretos e reversos Equações de transporte LED OLED Diodo laser dispoptic-2013

8 8 Diagrama de Bandas: Semicondutor sem Dopante EFEF ECEC EVEV Banda de condução (Parcialmente preenchida) Banda de valência (Parcialmente vazia) T > 0 dispoptic-2013 Em T = 0, A banda de valência é preenchida com elétrons e a banda de condução está vazia, resultando em condutividade zero. Em T > 0, elétrons podem ser termicamente excitados da banda de valência para a banda de condução, resultando em banda de valência parcialmente vazia e banda de condução parcialmente preenchida.

9 9 Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante doador Para o Si que é do grupo IV, adiciona-se um elemento do grupo V para doar um elétron e fazer Si tipo -n (temos mais elétron negativosgrupo V O elétronExtra está fracamente ligado, com nível de energia de doador E D justamente abaixo da banda de condução E C. –elétrons resultantes na banda de condução, promovem um aumento da condutividade pelo aumento da densidade de portadores livres n. O nível de Fermi E F se desloca para E C devido a que há mais portadores. Aumenta a condutividade de um semicondutor pela adição de uma pequena quantidade de outro material denominado dopante (ao invés de aquecer-lo) ECEC EVEV EFEF EDED E gap ~ 1 eV n-type Si dispoptic-2013

10 10 Porção da tabela periódica – semicondutores Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr. dispoptic-2013

11 11 Semicondutor tipo -n dispoptic-2013

12 12 Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante aceitador Para o Si, do grupo IV, adiciona-se um elemento do grupo III para aceitar um elétron e teremos o Si tipo -p (mais buracos positivos).grupo Elétrons perdidos são armadilhados num nível de energia aceitador E A justamente acima da banda de valência E V. –Os buracos na banda de valência aumentam fortemente a condutividade elétrica. O nível de Fermi E F é deslocado para abaixo na direção de E V devido a que há poucos portadores. EAEA ECEC EVEV EFEF p-type Si dispoptic-2013

13 13 Porção da tabela periódica – semicon. Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr. dispoptic-2013

14 14 Semicondutor tipo -p dispoptic-2013

15 15 Junção pn dispoptic-2013

16 16 Junção pn : Diagrama de Banda Em equilíbrio, os níveis de Fermi (ou densidade de portadores de carga) devem se igualar. Devido à difusão, os elétrons se movimentam do lado n para p e os buracos do lado p para n. Zona de Depleção, ela ocorre na junção onde permanecem íons parados. Isto resulta num campo elétrico (10 3 a 10 5 V/cm), que se opõe a uma maior difusão. Zona de Depleção regiões pn se tocam & portadores livres se movimentam elétrons regiões pn em equilíbrio buracos EVEV EFEF ECEC EFEF EVEV EFEF ECEC – – – – – – – – – – – – Tipo -p Tipo-n Junção pn: rmation2/pnformation2.html rmation3/index.html dispoptic-2013

17 17 Exemplo de mudança da banda de energia pela composição: Al x Ga 1-x As /ternary.htmlhttp://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/AlGaAs /ternary.html dispoptic-2013

18 18 Fabricação de diodo pn Abordagem a partir do substrato até o produto final mostrando o processo de litografia dispoptic-2013

19 19 Diodo PIN Similar a junção PN mas com uma camada intrínseca inserida dispoptic-2013

20 20 Relação Corrente-Voltagem (I- V) Polarização direta: a corrente aumenta exponencialmente. Polarização Reversa: corrente de fuga pequeno ~I o. Junção pn retificadora somente deixa passar corrente numa direção. Junção pn : Características I-V Polarização reversa Polariz. direta dispoptic-2013

21 dispoptic Polarização Direta: voltagem negativa no lado n promove a difusão de elétrons através do decréscimo do potencial da junção na região de depleção maior corrente. Polarização Reversa: voltagem positiva no lado n inibe a difusão de elétrons através do incremento do potencial da junção na região de depleção menor corrente. Junção pn : Diagrama de Bandas sobre polarização Polarização Direta Polarização Reversa Equilíbrio tipo -n tipo -p e– Portadores minoritários e– tipo -n –V tipo -p e– p-type n-type +V Portadores majoritários

22 22 Pq útil? Determina tipo de portador de carga (elétron vs. buraco) e densidade de portadores n para um semicondutor. Como? Semicondutor num campo externo B, corrente através de um eixo, e medida da voltagem de Hall induzida V H ao longo do eixo perpendicular. Derivado da equação de Lorentz F E (qE) = F B (qvB). Semicondutor: Densidade de Dopante via Efeito Hall buraco elétron carga + carga - Densidade de portadores n = _______(corrente I) (campo magnético B)__________ (carga do portador q) (espessura t)(Voltagem Hall V H ) dispoptic-2013

23 23 LED Celula Solar Dispositivos pn : LED e Célula Solar Diodo emissor de luz = Light-emitting diode (LED) –Converte sinal elétrico em luz: entra elétron sai fóton –Fonte de luz com vida longa, baixa potência, desenho compacto. –Aplicações: luzes indicadores, mostradores grandes. Célula Solar –Converte entrada de luz em sinal elétrico de saida: entra fóton sai elétron (os elétrons gerados são barridos pelo campo E da junção pn). –Fonte de energia renovável. dispoptic-2013

24 24 Curva característica de um LED dispoptic-2013

25 25 Diversos LED´s pela composição e cor aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - red and infraredaluminium gallium arsenideinfrared aluminium gallium phosphide (AlGaP) - greenaluminium gallium phosphide aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) - high-brightness orange-red, orange, yellow, and greenaluminium gallium indium phosphide gallium arsenide phosphide (GaAsP) - red, orange-red, orange, and yellowgallium arsenide phosphideorange yellow gallium phosphide (GaP) - red, yellow and greengallium phosphide gallium nitride (GaN) - green, pure green (or emerald green), and bluegallium nitrideblue indium gallium nitride (InGaN) - near ultraviolet, bluish-green and blueindium gallium nitride silicon carbide (SiC) as substrate - bluesilicon carbide silicon (Si) as substrate - blue (under development)silicon sapphire (Al2O3) as substrate - bluesapphire zinc selenide (ZnSe) - bluezinc selenide diamond (C) - ultravioletdiamond aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN) - near to far ultravioletaluminium nitridealuminium gallium nitride ultraviolet dispoptic-2013

26 26 Formação de cores em LED´s Azul => In, Ga, N Verde => GaP Vermelho => Ga, P, As Soluções sólidas de GaP 1-x As x, onde x varia de 1 a 0. vermelho Para x = 0.6, o LED é vermelho. laranja O LED emite em laranja quando x = amarelo verde Para x = 0.15 o LED emite amarelo. Para x = 0 o LED emite verde, i.e. GaP dispoptic-2013

27 27 Dispositivos: LEDs várias cores Diagrama de cromaticidade CIE 1976 : caracteriza as cores por uma parâmetro de luminância Y e duas coordenadas de cores x e y. A luz branca pode ser criada usando LEDs amarelo e azul nm = verde nm = amarelo nm = vermelho violeta Azul-verde WHITE 2000 K ,000 20,000 Incandescente Luz do dia 460 nm = azul dispoptic-2013

28 nm = verde nm = amarelo nm = vermelho violeta Azul-verde WHITE 2000 K ,000 20,000 Incandescente Luz do dia 460 nm = azul dispoptic-2013

29 29 Color Temperature and Color Rendering Index (CRI) dispoptic-2013

30 30 Dispositivos: relacionados com luz Três efeitos principais para a luz interagir com a matéria: –Absorção: fóton incidente cria par elétron-buraco (célula solar). –Emissão Espontânea: par elétron-buraco decai espontaneamente para ejetar um fóton (LED). –Emissão Estimulada: o fóton incidente estimula para que outro par elétron-buraco decaia e ejete outro fóton, i.e. um fóton de entrada dois fótons de saída (LASER). Absorção Emissão estimulada Energia E2E2 E1E dispoptic-2013 Emissão espontânea

31 31 Diversas interações de fótons com átomos a)Fluorescência b)Absorção Ressonante c)Emissão estimulada d)Espalhamento Rayleigh e)Efeito Compton f)Espalhamento Raman g)Efeito fotoelétrico Efeito fotoelétrico dispoptic-2013 Fluorescência Abs. Ressonante Emissão estimulada Espalhamento Rayleigh Efeito Compton Espalhamento Raman

32 32 Tratamento de transições Estimulada O campo de radiação tb pode induzir átomos que estão no estado excitado E 2 para fazer transições para E 1 com emissão simultânea de fótons de energia h O fóton induzido de energia h é emitido do mesmo modo que causou a emissão, o número de fótons é incrementado em um. A probabilidade de que um átomo emita um fóton induzido por segundo é: Espontânea Absorção induzida Probabilidade por segundo que um átomo irá absorver um fóton é proporcional ao número de fótons de energia h por unidade de volume, que pode ser expressa em termos da densidade de energia espectral do campo de radiação B 12 é o coeficiente de Einstein de absorção induzida B 21 é o coeficiente de Einstein de emissão induzida A emissão espontânea tb ocorre e independe do campo de radiação externo dispoptic-2013 A 21 é o coeficiente de Einstein de emissão espontânea

33 33 GaAs Laser Dispositivos: LASER O laser cria uma inversão de população de elétrons em níveis de energia superiores e então estimula-os a decair coerentemente a baixas energias. LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation dispoptic-2013 Aplicações: fibras opticas, CD player, usinagem, medicina, etc. –e.g. laser GaAs : 25% eficiencia, 100 anos tempo de vida, tamanho mm, IV a VIS.

34 34 Estrutura de diodo laser de emissão de borda dispoptic-2013

35 35dispoptic-2013

36 36 Outra representação de um diodo laser dispoptic-2013

37 37 Laser genérico de junção pn dispoptic-2013

38 38 Outra visão de diodo laser dispoptic-2013

39 39 Outras configurações de diodos laser Distributed Bragg Reflector Distributed Feedback Laser dispoptic-2013

40 40 Laser DFB Distributed Feedback Laser dispoptic-2013 Optical Transmitter Module for 10Gbit/s Optical Communication Systems

41 41 Laser diodo de potência dispoptic-2013

42 42 Condições para laser A emissão estimulada produz um ganho neto g por unidade de comprimento. O número de fótons pode ser mantido num processo de múltiplas reflexões de amplificação numa cavidade de comprimento L, com espelhos de refletividade R 1 e R 2 resultando na seguinte condição de laser: Se a amplificação < 1, então o número de fótons diminui de forma estável. Se a amplificação > 1, então o número de fótons aumenta e não será obtido um valor de estado estacionário. Por tanto o ganho requerido para ação laser é: Inicialmente o ganho é negativo se não for aplicado uma corrente no diodo laser a medida que a absorção domina na guia de onda. A medida que a corrente aumenta, a absorção decresce e o ganho aumenta dispoptic-2013

43 43 Condições para laser A corrente para o qual satisfaz o ganho para a emissão de laser é a corrente de gatilhamento, ponto de início, ou limiar (threshold) I th. Para valores menores de corrente, há uma emissão de luz muito fraca que vem da estrutura do laser. Para valores maiores, a potência de saída aumenta linearmente com a corrente aplicada a medida que cada par elétron-buraco é convertido em fóton, assim: O fator indica que somente uma fração dos fótons gerados contribui com a potência de saída do laser, desde que os fótons são perdidos através dos espelhos e da guia de onda. dispoptic-2013

44 44 Geometria de uns dos primeiros diodos laser. (a)Utiliza sc fortemente dopados em ambos lados da junção. (b) Resultando num diagrama de níveis de energia em que o nível de Fermi é cte através do dispositivo sem corrente. (c) Com polarização direta, os níveis de Fermi se desdobram devido à injeção de portadores de carga minoritários (elétrons dentro de p e buracos dentro de n) e existe uma região próxima à junção em que há simultaneamente tanto uma alta densidade de elétrons como tb de buracos. Devido à alta mobilidade dos elétrons em relação aos buracos, a maior parte da injeção é por elétrons dentro de p que recombinam com os buracos majoritários após difundir uma distância d = L n = (D ) 1/2. e.g. GaAs: Diodo laser de homojunção dispoptic-2013

45 45 Campo de radiação de um diodo laser dispoptic-2013

46 46 Diodo laser de heterojunção Série de desvantagens com diodos de homojunções conduzem à procura por outros tipos de junções, neste caso heterojunções. E.g. GaAs com Al x Ga 1-x As dispoptic-2013

47 47 Efeitos quânticos nas junções (a) Concentração de Al em função da profundidade na junção (b) Variação correspondente no índice de refração (c) Variação respectiva na banda proibida dispoptic-2013

48 Laser de cavidade vertical de emissão superficial dispoptic

49 49 Diodo laser de emissão superficial (vertical cavity surface emitting laser) dispoptic-2013

50 50 VCSEL dispoptic-2013

51 51 VCSEL (a) Metalic Reflector VCSEL (b) Etched Well VCSEL dispoptic-2013

52 52 VCSEL (d) Burried Regrowth VCSEL (c) Air Post VCSEL dispoptic-2013

53 53 OLED´s dispoptic-2013

54 54 Estrutura do OLED dispoptic-2013

55 55 Componentes do OLED 1.Substrato: plástico ou vidro ou folha de mat transp. 2.plástico dispoptic-2013

56 56 Oled dispoptic-2013

57 57 Vantagens e desvantagens Led vs OLED Maior ângulo de visão Alto brilho e contraste Não requer luz de fundo Fino Baixo consumo dispoptic-2013

58 58 Tela LCD e OLED dispoptic-2013


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