Junção p-n tipo – p tipo – n BC BC Ed Ea BV BV

tipo – p tipo – n BC BC Ed Ea BV BV Difusão de elétrons para o lado p e de buracos para o lado n

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

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

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

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

e tipo – p tipo – n BC eV0 EF BV Região neutra p Região neutra n

Junção p-n com aplicação de potencial Portadores minoritários Portadores majoritários Corrente de arraste: ia * Corrente de difusão: id *(possuem energia para superar a barreira) BC eV0 Excitação térmica BV e tipo – p tipo – n * Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!

Portadores minoritários Portadores majoritários Corrente de arraste: ia Corrente de difusão: id BC eV0 Excitação térmica BV e tipo – p tipo – n Corrente de arraste: barreira eV0 não influi Corrente de difusão: barreira eV0 influi muito

Corrente de arraste: ia Aumento da corrente de difusão Corrente de arraste: ia Corrente de difusão: id BC eV Potencial diminui BV Corrente medida e tipo – p tipo – n + - Diminuição da região de depleção e do campo elétrico intrinseco Polarização direta

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

Curva característica de um diodo Polarização direta V Polarização reversa

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

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

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

Quantum dot lasers Weisbuch 1991

Quantum dot lasers a) introduction of N to lower the gap. Highlight: QD lasers operating at 1.3 mm on GaAs substrates. Two approaches: a) low growth rates → large and uniform dots but with low density, which implies in low gain. 19 A cm-2 Park et al 2000 17 A cm-2 (300 K) Sellers et al 2004 b) D-well structures → growth of InAs dots on InGaAs reduces the energy and increases the density. Future challenge reach 1.55 mm: a) introduction of N to lower the gap. b) move to InP substrates (smaller mismatch).

Quantum dot laser 5 times

LEDs Safira GaN Leds

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

Espectro Eletromagnético E = hc/l = 1.24 /l (mm.eV) 700 nm 400 nm 1.0 10.0 100.0 0.1 0.01 l (mm) 1.24 0.124 0.0124 12.4 124 E (eV)

Detecção Infravermelha Lei de Wien lp T = 2898 mm.K

300 K ≈ 10 mm Turbina: ≈ 4 mm 700 K Contramedida: 2000 K ≈ 1 mm

Faixas do Infravermelho SWIR MWIR LWIR

Imageamento infravermelho: segurança industrial

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

Controle de vazamento de gases Emissor Receptor Equipamento industrial Vazamento Interrupção do sinal

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

Tecnologias para detecção no infravermelho 2) MCT : absorção óptica banda-banda HgxCd1-xTe Características: Baixa homogeneidade Lentos Pouco resistentes mecanicamente BV BC

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

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 E2 – E1 BC hn BV

Seletividade dos QWIPs Limites teóricos 1011 1010 109

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

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

Processamento de dispositivos

Caracterização de QWIPs 40 50 60

Caracterização dos dispositivos QDIPs 780

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

Transistor de elétron único GaAs/AlGaAs H.W. Schumacher (1999) Hannover,Germany 100 x 200 nm2 Baseia-se no efeito de tunelamento quântico

Lembrando o funcionamento do MOSFET metal isolante EF EFs semicondutor EF EF EFs EFs Camada de inversão

Canal de condução é induzido

Using lateral confinement induced by an electric field

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. Guimaraes 2005 Quantum information processing Uses two states of the quantum dots. Long coherence times. Ultrafast optical addressing. Compatibility with standard electronics.

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):439 - 451 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.