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Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p.

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1 Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p

2 BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p Difusão de elétrons para o lado p e de buracos para o lado n

3 BC BV + tipo – n BC BV - - tipo – p + Região de cargas fixas Fluxo de e Fluxo de b Surgimento de um campo elétrico intrínseco

4 BC BV + tipo – n BC BV tipo – p + ++ Região de cargas fixas Aumento do campo elétrico intrínseco

5 BC BV + tipo – n BC BV tipo – p + ++ Região de cargas fixas Cargas negativas fixas Cargas positivas fixas Equilíbrio Difusão X Deriva

6 BC BV + tipo – n BC BV tipo – p + ++ V(x) x Região neutra pRegião neutra n Cargas negativas fixas Cargas positivas fixas Região de depleção

7 tipo – n BC BV tipo – p Região neutra p Região neutra n eV 0 EFEF

8 BC BV eV 0 tipo – ptipo – n Portadores majoritáriosPortadores minoritários Corrente de arraste: i a * Excitação térmica Corrente de difusão: i d *(possuem energia para superar a barreira) * Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário! Junção p-n com aplicação de potencial

9 BC BV eV 0 tipo – ptipo – n Portadores majoritáriosPortadores minoritários Corrente de arraste: i a Corrente de difusão: i d Excitação térmica Corrente de arraste: barreira eV 0 não influi Corrente de difusão: barreira eV 0 influi muito

10 BC BV eV tipo – ptipo – n Corrente de arraste: i a -+ Polarização direta Corrente de difusão: i d Aumento da corrente de difusão Potencial diminui Diminuição da região de depleção e do campo elétrico intrinseco Corrente medida

11 BC BV eV tipo – p tipo – n Corrente de arraste: i a +- Polarização reversa Corrente de difusão: i d Diminuição da corrente de difusão Potencial aumenta Aumento da região de depleção e do campo elétrico intrinseco Corrente medida

12 Curva característica de um diodo V i Polarização reversa Polarização direta

13 BC BV eV tipo – ptipo – n +- Polarização reversa Corrente medida Região ativa de um dispositivo: onde geralmente estão as nanoestruturas

14 Device Applications Quantum dots were expected to lead to devices with better performance. In some cases this is already a reality. Quantum dot lasers LEDs QDIPs

15 Quantum dot lasers Calculations predicted better performance as a consequence of the modified (delta-like) density of states. Assumptions: dots with only one confined electron and hole state, no external states to the dots, all dots of one size. Longer relaxation time leads to a better temperature stability Arakawa et al 82 Ledentsov et al 2000

16 Quantum dot lasers Weisbuch 1991

17 Quantum dot lasers Highlight: QD lasers operating at 1.3 m on GaAs substrates. Two approaches: a) low growth rates large and uniform dots but with low density, which implies in low gain. b) D-well structures growth of InAs dots on InGaAs reduces the energy and increases the density. 19 A cm -2 Park et al A cm -2 (300 K) Sellers et al 2004 Future challenge reach 1.55 m: a) introduction of N to lower the gap. b) move to InP substrates (smaller mismatch).

18 Quantum dot laser 5 times

19 LEDs Leds Safira GaN

20 Quantum Dot (Mid-) Infra- red Photodetector (QDIP) Applications of QDIPs for the 2-20 m range: Telecommunication Detection of toxic gases Night vision Imaging Environment Monitoring Medicine

21 m E (eV) E = hc/ = 1.24 / (m.eV) Espectro Eletromagnético 700 nm 400 nm

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23 Detecção Infravermelha Lei de Wien p T = 2898 m.K

24 300 K 10 m 700 K Turbina: Contramedida: 2000 K 1 m 4 m

25 LWIR MWIR SWIR Faixas do Infravermelho

26 Imageamento infravermelho: segurança industrial

27 Telecomunicações – Free space Janela óptica em 10 m Taxa de erro menor que em outras janelas espectrais

28 Controle de vazamento de gases Emissor Receptor Equipamento industrial VazamentoInterrupção do sinal

29 Tecnologias para detecção no infravermelho 1) Bolômetros: variação da resistência com a temperatura. Características: Baixa sensibilidade Resposta lenta Baratos Operam a 300K Pouca seletividade espectral

30 Tecnologias para detecção no infravermelho 2) MCT : absorção óptica banda-banda Hg x Cd 1-x Te Características: Baixa homogeneidade Lentos Pouco resistentes mecanicamente BV BC

31 Tecnologias para detecção no infravermelho 3) Família III-V: absorção óptica banda-banda Vantagem: Tecnologia mais desenvolvida Desvantagem: Não é possível atingir comprimentos de onda acima de 6 m Materiais: InGaAs, InSb etc BV BC

32 Tecnologias para detecção no infravermelho 3) QWIPs (quantum well infrared photodetectors): absorção óptica intrabanda. Vantagem: Absorção mais seletiva Desvantagem: Não acopla radiação com incidência normal E 2 – E 1 BC h BV

33 Seletividade dos QWIPs Limites teóricos

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35 Tecnologias para detecção no infravermelho 4) QDIP (quantum dot infrared photodetectors): absorção óptica intrabanda Vantagens: acopla radiação com incidência normal corrente de escuro inferior Desvantagens: homogeneidade reprodutibilidade densidade de pontos quânticos

36 Estruturas D-Well InP InGaAs InAs 124 meV 200 Å 85 ÅQWQDInP Energia Posição BC InP InGaAsQW QD Crescimento

37 Processamento de dispositivos

38 Caracterização de QWIPs

39 Caracterização dos dispositivos QDIPs 780

40 Pontos quânticos para transistor de um único elétron e para emissão de fótons um a um

41 Transistor de elétron único GaAs/AlGaAs H.W. Schumacher (1999) Hannover,Germany 100 x 200 nm 2 Baseia-se no efeito de tunelamento quântico

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43 Lembrando o funcionamento do MOSFET metal isolante semicondutor EFEF EFEF EFEF E Fs Camada de inversão

44 Canal de condução é induzido

45 Using lateral confinement induced by an electric field

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47 Single Dot Devices Single photon emitters for cryptography: Emission wavelengths of In(Ga)As dots match the transmission wavelengths of optical fibers. Electrical trigger is possible with a pin structure. Radiative lifetime of 1 ns allows for data transmission rates between 10 and 100 MHz. Dots can be incorporated into micro- resonators for high efficiency photon extraction. Quantum information processing Uses two states of the quantum dots. Long coherence times. Ultrafast optical addressing. Compatibility with standard electronics. Guimaraes 2005

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51 Bibliografia Materiais e Dispositivos Eletrônicos, Sérgio Rezende, Editora Livraria da Física, Segunda edição, Capítulos 6 a 8. Quantum dot heterostructure laser, Ledentsov, N.N.; Grundmann, M.; Heinrichsdorff, F.; Bimberg, D.; Ustinov, V.M.; Zhukov, A.E.; Maximov, M.V.; Alferov, Zh.I.; Lott, J.A.; Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of Volume 6, Issue 3, May-June 2000 Page(s): New physics and devices based on self-assembled semiconductor quantum dots. D. J. Mowbray and M. S. Skolnick, Journal of Physics D:Applied Physics 38, 2059 (2005). Quantum Dots and Nanowires Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition for Optoelectronic Device Applications, H. H. Tan, K. Sears, S. Mokkapati, L. Fu, Yong Kim, P. McGowan, M. Buda and C. Jagadashi, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12 (6), 1242 (2006). Semiconductor Quantum Dot Nanostructures: Their Application in a New Class of Infrared Photodetectors, E. Towe e D. Pan, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (3), 1242 (2000). Outros artigos disponíveis no site.


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