Resumo da aula passada Apresentação do Jhonas. Fontes de Luz.

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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-2013

2 electronic transitions, A absorption spectrum, B
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). dispoptic-2013

3 electronic transitions, A absorption spectrum, B
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) dispoptic-2013

4 Diagrama de Banda: Isolante com Egap grande
Banda de condução (vazio) T > 0 EC Egap EF EV Banda de valência (cheio) Fermi Energies for Metals The Fermi energy is the maximum energy occupied by an electron at 0K. By the Pauli exclusion principle, we know that the electrons will fill all available energy levels, and the top of that "Fermi sea" of electrons is called the Fermi energy or Fermi level. An important parameter in the band theory is the Fermi level, the top of the available electron energy levels at low temperatures. The position of the Fermi level with the relation to the conduction band is a crucial factor in determining electrical properties. Fermi Level "Fermi level" is the term used to describe the top of the collection of electron energy levels at absolute zero temperature. This concept comes from Fermi-Dirac statistics. Electrons are fermions and by the Pauli exclusion principle cannot exist in identical energy states. So at absolute zero they pack into the lowest available energy states and build up a "Fermi sea" of electron energy states. The Fermi level is the surface of that sea at absolute zero where no electrons will have enough energy to rise above the surface. The concept of the Fermi energy is a crucially important concept for the understanding of the electrical and thermal properties of solids. Both ordinary electrical and thermal processes involve energies of a small fraction of an electron volt. But the Fermi energies of metals are on the order of electron volts. This implies that the vast majority of the electrons cannot receive energy from those processes because there are no available energy states for them to go to within a fraction of an electron volt of their present energy. Limited to a tiny depth of energy, these interactions are limited to "ripples on the Fermi sea". At higher temperatures a certain fraction, characterized by the Fermi function, will exist above the Fermi level. The Fermi level plays an important role in the band theory of solids. In doped semiconductors, p-type and n-type, the Fermi level is shifted by the impurities, illustrated by their band gaps. The Fermi level is referred to as the electron chemical potential in other contexts.In metals, the Fermi energy gives us information about the velocities of the electrons which participate in ordinary electrical conduction. The amount of energy which can be given to an electron in such conduction processes is on the order of micro-electron volts (see copper wire example), so only those electrons very close to the Fermi energy can participate. The Fermi velocity of these conduction electrons can be calculated from the Fermi energy. Table This speed is a part of the microscopic Ohm's Law for electrical conduction. For a metal, the density of conduction electrons can be implied from the Fermi energy. The Fermi energy also plays an important role in understanding the mystery of why electrons do not contribute significantly to the specific heat of solids at ordinary temperatures, while they are dominant contributors to thermal conductivity and electrical conductivity. Since only a tiny fraction of the electrons in a metal are within the thermal energy kT of the Fermi energy, they are "frozen out" of the heat capacity by the Pauli principle. At very low temperatures, the electron specific heat becomes significant. Fermi energies for metals Table of Fermi energies 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 EF 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. dispoptic-2013

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

6 Diagrama de Banda: Metal
preenchimento da banda. Função de preenchimento Banda de energia a ser preenchida EC,V EC,V EF EF T > 0 T = 0 K Em T = 0, níveis de energia abaixo de EF são preenchidos com elétrons, entretanto todos os níveis acima de EF 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. At T = 0, all levels in conduction band below the Fermi energy EF are filled with electrons, while all levels above EF are empty. Electrons are free to move into “empty” states of conduction band with only a small electric field E, leading to high electrical conductivity! At T > 0, electrons have a probability to be thermally “excited” from below the Fermi energy to above it. dispoptic-2013

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

8 Diagrama de Bandas: Semicondutor sem Dopante
EF EC EV Banda de condução (Parcialmente preenchida) Banda de valência (Parcialmente vazia) T > 0 What happens to the conductivity for T > 0? How would the band diagram look for lower & higher temperatures? 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. dispoptic-2013

9 Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante doador
Aumenta a condutividade de um semicondutor pela adição de uma pequena quantidade de outro material denominado dopante (ao invés de aquecer-lo) 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 negativos O elétron“Extra” está fracamente ligado, com nível de energia de doador ED justamente abaixo da banda de condução EC. elétrons resultantes na banda de condução, promovem um aumento da condutividade pelo aumento da densidade de portadores livres n. O nível de Fermi EF se desloca para EC devido a que há mais portadores. EC EV EF ED Egap~ 1 eV n-type Si dispoptic-2013

10 Porção da tabela periódica – semicondutores
Many complementary pairs of atoms with 1:1 stoichiometry (AZ) and the same average number of valence electrons per atom as the atoms in Group 14 such as ZnS, GaAs, and ZnSe have the zinc blende structure, as shown above. In zinc blende unit cells, there are atoms of two elements, each arranged in a tetrahedral geometry and bonded exclusively to the other kind of atom. 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 Semicondutor tipo -n dispoptic-2013

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). Elétrons “perdidos” são armadilhados num nível de energia aceitador EA justamente acima da banda de valência EV. Os buracos na banda de valência aumentam fortemente a condutividade elétrica. O nível de Fermi EF é deslocado para abaixo na direção de EV devido a que há poucos portadores. EC EF EA EV p-type Si dispoptic-2013

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 Semicondutor tipo -p dispoptic-2013

15 Junção pn dispoptic-2013

16 Junção pn : Diagrama de Banda
regiões pn se “tocam” & portadores livres se movimentam 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 (103 a 105 V/cm), que se opõe a uma maior difusão. Tipo-n elétrons EC EF EF EV buracos Tipo -p regiões pn em equilíbrio – – EC – – + – + – EF + + – – + + – + – – Junção pn: + + – + + + EV dispoptic-2013 Zona de Depleção

17 Exemplo de mudança da banda de energia pela composição: AlxGa1-xAs
Introduction (Band Diagram of AlGaAs) The electronic properties of the ternary-compound semiconductor, AlGaAs, depend on the alloy composition. This applet shows a single information in three different ways: In the top diagram, the minimum energies of the conduction band valleys, the Gamma-, L- and X-point valleys, are plotted as a function of the Al composition. The reference energy is the top of the valence band, i.e., E = Ev = 0 eV. The lower-left diagram shows the E-K diagram (Energy - K vector diagram).  It shows the three important conduction band valleys (Gamma, L, and X valleys) and the light-hole (lh) and heavy-hole (hh) bands in the K-space (reciprocal space). The lower-right diagram shows the conventional (simplified) energy band diagram of the semiconductor. Mathematical Analysis Minima of Conduction Band Valleys in [eV] at 300K:    AlxGa1-xAs                    [ref:1]     Eg(x) =     x                              (0 < x < 0.45)                      (x-0.45)2     (0.45 < x < 1.0)     EL(x) = x     EX(x) = x2   E(k)  Diagram :  Effective Masses for AlxGa1-xAs   [ref:1,  2]     A) Conduction Band Valleys               Eg(k) = h2k2/2mg*   where,                         mg*/m0 = x (for Density of States); x (for Conductivity)                         kg = 2p/a (0, 0, 0)              EL(k) = h2(k-kL)2/2mL*   where,                         mL*/m0 = x (for DOS); x (for Conductivity)                         kL = 2p/a (1/2, 1/2, 1/2)                EX(k) = h2(k-kX)2/2mX*   where,                         mX*/m0 = x (for DOS); x (for Conductivity)                         kX = 2p/a (0, 0, 1-D)       B) Valence Band Valleys              Ehh(k) = h2k2/2mhh*   where,                        mhh*/m0 = x              Elh(k) = h2k2/2mlh*   where,                        mlh*/m0 = x                  Eso(k) = h2k2/2mso*  - Do    where,                        mso*/m0 = x                      Do = x     The Density of States effective mass for valence band, mvb, is found from                 mvb = (mlh*3/2 + mhh*3/2)2/3     Eso(k)  is the split-off band and does not contribute to the DOS. Applet Tutorial As you mouse-drag the composition, as indicated by the magenta-colored vertical-line within the top diagram, the respective energy positions of the G-, X-, and L-point conduction band valleys change accordingly. The lowest energy of the three conduction band valleys defines the conduction band edge Ec in the energy-band diagram (lower-right). Applet Worksheet (AlGaAs) 1. Determine Eg for the different compositions of the AlGaAs alloy.  Indicate if it is a direct band gap or an indirect band gap.     Composition  Eg  Direct or Indirect Al0.1Ga0.9As  _____   _____________ Al0.4Ga0.6As  _____  _____________ Al0.5Ga0.5As  _____  _____________ Al0.9Ga0.1As  _____  _____________ 2. What physical significance or consequence does the direct or indirect bandgap have (i.e., in terms of the light emission efficiency) ?  Explain ! 3. Would the Light Emitting Diodes and Laser Diodes be made from a direct bandgap materials or from the indrect bandgap materials ?               (a) direct bandgap materials                 (b) indirect bandgap materials 4. Why is the indirect bandgap materials so inefficient compared with the direct gap materials ?  Explain ! References 1.  S. Adachi, "GaAs, AlAs, and AlGAAs: Material Parameters for Use in research and device Applications," J.App.Phys. 58(3), 1 Aug. 1985, R1. 2. S.M.Sze, PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES, 2nd Ed., John Wiley & Sons, NY 1981 (ISBN ) pp 3. R.G. Hunsperger, INTEGRATED OPTICS: THEORY AND TECHNOLOGY, 3rd Ed., Springer-Verlag, NY 1991 (ISBN ) dispoptic-2013

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

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

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

21 Junção pn : Diagrama de Bandas sobre polarização
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. Polarização Direta Polarização Reversa Equilíbrio tipo -n tipo -p e– Portadores minoritários –V p-type n-type +V Portadores majoritários dispoptic-2013

22 Semicondutor: Densidade de Dopante via Efeito Hall
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 VH ao longo do eixo perpendicular. Derivado da equação de Lorentz FE (qE) = FB (qvB). Densidade de portadores n = _______(corrente I) (campo magnético B)__________ (carga do portador q) (espessura t)(Voltagem Hall VH) buraco elétron carga + carga - dispoptic-2013

23 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. LED Celula Solar dispoptic-2013

24 Curva característica de um LED
dispoptic-2013

25 Diversos LED´s pela composição e cor
aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - red and infrared aluminium gallium phosphide (AlGaP) - green aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) - high-brightness orange-red, orange, yellow, and green gallium arsenide phosphide (GaAsP) - red, orange-red, orange, and yellow gallium phosphide (GaP) - red, yellow and green gallium nitride (GaN) - green, pure green (or emerald green), and blue indium gallium nitride (InGaN) - near ultraviolet, bluish-green and blue silicon carbide (SiC) as substrate - blue silicon (Si) as substrate - blue (under development) sapphire (Al2O3) as substrate - blue zinc selenide (ZnSe) - blue diamond (C) - ultraviolet aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN) - near to far ultraviolet dispoptic-2013

26 Formação de cores em LED´s
Azul => In, Ga, N Verde => GaP Vermelho => Ga, P, As Soluções sólidas de GaP1-xAsx, onde x varia de 1 a 0. Para x = 0.6, o LED é vermelho. O LED emite em laranja quando x = 0.35. Para x = 0.15 o LED emite amarelo. Para x = 0 o LED emite verde, i.e. GaP dispoptic-2013

27 Dispositivos: LED’s 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 LED’s amarelo e azul. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 480 470 490 500 510 530 520 nm = verde 540 550 560 570 nm = amarelo 580 590 600 610 640 nm = vermelho violeta Azul-verde WHITE 2000 K 3000 5000 10,000 20,000 Incandescente Luz do dia 460 nm = azul dispoptic-2013

28 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 480 470 490 500 510 530 520 nm = verde 540 550 560 570 nm = amarelo 580 590 600 610 640 nm = vermelho violeta Azul-verde WHITE 2000 K 3000 5000 10,000 20,000 Incandescente Luz do dia 460 nm = azul dispoptic-2013

29 Color Temperature and Color Rendering Index (CRI)
Color temperature is how cool or warm the light source appears. Incandescent lamps have a warmer appearance than mercury vapor yard lights, for example. CRI is a relative measure of the shift in surface color of an object when lit by a particular lamp, compared with how the object would appear under a reference light source of similar color temperature. Commonly used as references are incandescent lamps (warm light sources) and natural daylight (a cool light source). Incandescent lamps and daylight have a CRI of 100, the highest possible CRI. The higher the CRI of the light source, the "truer" it renders color dispoptic-2013

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). Energia E2 2 1 1 1 2 2 3 E1 Absorção Emissão estimulada Emissão espontânea dispoptic-2013

31 Diversas interações de fótons com átomos
Fluorescência Abs. Ressonante Emissão estimulada Espalhamento Rayleigh Efeito Compton Espalhamento Raman Fluorescência Absorção Ressonante Emissão estimulada Espalhamento Rayleigh Efeito Compton Espalhamento Raman Efeito fotoelétrico Fig Possíveis interações de um fóton com um átomo, (a) O fóton é absorvido e o átomo passa para um estado excitado; mais tarde, o átomo volta para o estado fundamental, emitindo um ou mais fótons no processo. Neste processo de dois estágios, conhecido como fluorescência, não existe nenhuma correlação entre o fóton incidente e os fótons emitidos, (b) Quando a energia do fóton incidente é igual à diferença de energia entre o estado fundamental do átomo e o primeiro estado exci­tado, o fenômeno recebe o nome especial de absorção ressonante, (c) Na emissão estimulada, o átomo se encontra inicialmente em um estado excitado e é estimulado por um fóton incidente a sofrer uma transição para um estado de menor energia. A diferença entre o espalhamento de Rayleigh (d) e o espalhamento de Raman (f) e os processos de absorção ressonante e fluorescência está no fato de que existe uma correlação entre os fótons incidentes e os fótons emitidos. As figuras (e) e (g) ilustram o efeito Compton e o efeito fotoelétrico, que já foram discutidos no Cap. 3. dispoptic-2013 Efeito fotoelétrico

32 Tratamento de transições
Espontânea Absorção induzida Probabilidade por segundo que um átomo irá absorver um fóton é proporcional ao número de fótons de energia hn por unidade de volume, que pode ser expressa em termos da densidade de energia espectral r(n) do campo de radiação Estimulada O campo de radiação tb pode induzir átomos que estão no estado excitado E2 para fazer transições para E1 com emissão simultânea de fótons de energia hn . O fóton induzido de energia hn 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: B12 é o coeficiente de Einstein de absorção induzida B21 é o coeficiente de Einstein de emissão induzida A emissão espontânea tb ocorre e independe do campo de radiação externo A21 é o coeficiente de Einstein de emissão espontânea dispoptic-2013

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

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

36 Outra representação de um diodo laser
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37 Laser genérico de junção pn
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38 Outra visão de diodo laser
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39 Outras configurações de diodos laser
Distributed Feedback Laser Distributed Bragg Reflector Description (DFB): Distributed Feedback (DFB) Diode Lasers are fixed wavelength single mode diode lasers. Typical geometrical sizes of the laser chip are 1000µm x 500µm x 200µm (length x width x height). The laser chip is grown by MOVPE of compound semiconductor material. The optical gain is provided by double heterostructure which include several Quantum Wells for electronic confinement. Typcal emitter width range between 3µm and 7µm. The single mode emission is enforced by a Bragg grating with the laser chip. The surfaces of the laser chip act as cavity mirrors due to the difference of the refractive index of the laser material and the surrounding air. The rear facet of the laser chip is provided with a high reflection coating. The front facet of the laser chip is provided with a high quality antireflection coating  for avoiding the Fabry Perot modes of the laser chip. Distributed Feedback (DFB) Diode Lasers are available at almost any wavelength between 760nm and 2330nm. These diode lasers are longitudinally and spatially single mode. They are available in 9mm TO-cans or in TO3 cans with an integrated thermoelectric cooler. Please check our data sheets Description (DBR):    Distributed Bragg Reflector (DBR) Diode Lasers are tunable single mode diode lasers. Typical geometrical sizes of the laser chip are 1000µm x 500µm x 200µm (length x width x height). The laser chip is grown by MOVPE of compound semiconductor material. The optical gain is provided by double heterostructure which include several Quantum Wells for electronic confinement. Typcal emitter width range between 3µm and 7µm. The single mode emission is enforced by a Bragg grating with the laser chip. The surfaces of the laser chip act as cavity mirrors due to the difference of the refractive index of the laser material and the surrounding air. The rear facet of the laser chip is provided with a high reflection coating. The front facet of the laser chip is provided with a high quality antireflection coating  for avoiding the Fabry Perot modes of the laser chip. The emission wavelength of the DBR laser is tuned by a synchronized changing the current of the Bragg and the Phase segment of the laser. Distributed Bragg Reflector (DBR) Diode Lasers are available with up to 100mW at 1063nm and 80mW at 1083nm. These diode lasers are longitudinally and spatially single mode. They can be tuned up to 100GHz mode-hop free. They are mounted in TO3-cans. Please check our data sheets . dispoptic-2013

40 Laser DFB Distributed Feedback Laser
Description (DFB): Distributed Feedback (DFB) Diode Lasers are fixed wavelength single mode diode lasers. Typical geometrical sizes of the laser chip are 1000µm x 500µm x 200µm (length x width x height). The laser chip is grown by MOVPE of compound semiconductor material. The optical gain is provided by double heterostructure which include several Quantum Wells for electronic confinement. Typcal emitter width range between 3µm and 7µm. The single mode emission is enforced by a Bragg grating with the laser chip. The surfaces of the laser chip act as cavity mirrors due to the difference of the refractive index of the laser material and the surrounding air. The rear facet of the laser chip is provided with a high reflection coating. The front facet of the laser chip is provided with a high quality antireflection coating  for avoiding the Fabry Perot modes of the laser chip. Distributed Feedback (DFB) Diode Lasers are available at almost any wavelength between 760nm and 2330nm. These diode lasers are longitudinally and spatially single mode. They are available in 9mm TO-cans or in TO3 cans with an integrated thermoelectric cooler. Please check our data sheets dispoptic-2013 Optical Transmitter Module for 10Gbit/s Optical Communication Systems

41 Laser diodo de potência
dispoptic-2013

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 R1 e R2 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 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) Ith . 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 h 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 Diodo laser de homojunção
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 = Ln = (Dt)1/2. e.g. GaAs: dispoptic-2013

45 Campo de radiação de um diodo laser
dispoptic-2013

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 AlxGa1-xAs dispoptic-2013

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-2013

49 Diodo laser de emissão superficial (vertical cavity surface emitting laser)
AdvantagesApplicationsVCSELs have high performance and low cost advantages.1) The structure can be integrated in two-dimensional array configuration. 2) Low threshold currents enable high-density arrays. 3) Surface-normal emission and nearly identical to the photo detector geometry give easy alignment and packaging. 4) Circular and low divergence output beams eliminate the need for corrective optics. 5) Passive versus active fiber alignment, combined with high fiber-coupling efficiency. 6) Low-cost potential because the devices are completed and tested at the wafer level. 7) Lower temperature-sensitivity compared to edge-emitting laser diodes. 8) High transmission speed with low power consumption.  VCSELs are effective emitters for fiber data communication in the speed range of 100Mbs and 1Gbs. VCSELs enable high performance systems in Gigabit Ethernet, Fiber Channel, and ATM markets. VCSELs integrate well with OEM systems design.VCSELs provide enhanced performance benefits to: local area networks, telecommunication switches, optical storage and other optoelectronic systems. dispoptic-2013

50 VCSEL dispoptic-2013 Monolithically-integrated long vertical cavity
surface emitting laser incorporating a concave micromirror on a glass substrate Rafael I. Aldaz, Michael W. Wiemer, David A.B. Miller, and James S. Harris Jr. Solid State and Photonics Lab, Stanford University, Stanford, CA 94305 Abstract: We present a fully monolithically integrated long vertical cavity surface emitting laser using an InGaAs/GaAs/AlGaAs gain medium directly bonded to a glass substrate with a concave micromirror. The lasing wavelength is 980nm with a threshold of 20mA for a 52μm mesa, differential quantum efficiency of 58%, and maximum output power of 39mW. ©2004 Optical Society of America dispoptic-2013

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

52 VCSEL (d) Burried Regrowth VCSEL (c) Air Post VCSEL
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53 OLED´s dispoptic-2013

54 Estrutura do OLED                                                                                                                                                                                                                               dispoptic-2013

55 Componentes do OLED Substrato: plástico ou vidro ou folha de mat transp. plástico OLEDs are made up of the following components: Substrate: This is mostly clear plastic, glass, or transparent foil. It supports the OLED. Cathode: The cathode emits electrons when current is applied to it (as explained before). Anode: The anode attracts electrons towards it, thereby creating empty spaces for other electrons to fill up. This helps in the flow of current. Organic Layers: Conductive Layer: This layer is just above the anode; it’s the one where the anode pulls the electrons out from it. Thus it houses the holes and tries to attract electrons. Emissive Layer: This layer transfers electrons from the cathode to itself and therefore, becomes negatively charged. When the negatively charged electrons on the emissive layer come in contact with the positively charged protons from the conductive layer, they get attracted by the positive particles from the conductive layer and drop to a lower orbital to fill up the hole in the orbital, thus releasing energy rich photons that are visible to our eyes. The color of the light depends on what material was used in the organic emissive layer. Presently, a lot of different emissive layers are placed on the LED to give us color displays dispoptic-2013

56 Oled Figure 1 shows various device structures. In these devices, organic emitter layers are sandwiched between two electrodes, and electric energy is transformed into light through the excitation of the organic molecules. Excitation mechanisms involve the recombination (reaction) of charge carriers such as electrons (radical anion) and holes (radical cation) that are injected into the organic layers from the electrodes. Hence, it is necessary for the organic component materials to be charge-transporting as well as fluorescent. This is shown in Figure 1 as a single-layer-type structure. Figure 1. Typical device structures. The total thickness of the organic layers is ~ 1000 Å dispoptic-2013

57 Vantagens e desvantagens
Led vs OLED Maior ângulo de visão Alto brilho e contraste Não requer luz de fundo Fino Baixo consumo LCD versus OLED: the advantages of having a wide viewing angle are clearly demonstrated in this shot. Photo: KodakIn summary, OLED displays have: High brightness and contrast Ultra-wide viewing angle No backlight required Thin, compact form factor Fast response time Low power consumption Display types In common with their LCD counterparts, OLED displays are currently being manufactured in both active and passive types. dispoptic-2013

58 Tela LCD e OLED dispoptic-2013