1 Introducción LED emisión espontánea sin cavidad incoherente multimodo anchura de línea grande barato, fiable LÁSER emisión estimulada necesita cavidad y espejos coherente 1 modo pequeño degradación output lineal modulación no lineal, pero anchura de banda pequeña
Aplicaciones de LEDs • Comunicación óptica • Pantallas • Iluminación (color o luz blanca): • semiconductores • semiconductores con fósforos
Aplicaciones de LEDs Previsión de la expansión del mercado Desarrollo nuevo en: • LEDs de alta potencia • LEDs en cavidades resonantes • LEDs de emisión azul/verde • LEDs Orgánicos (OLED) de Iluminación por LED
Emisión del primer LED Emisión de un diodo Schottky de SiC en 1907
FactorocupaciónFermi,f(E) 2. H N%7 Portadores y Unión pn Distribución de portadores Mecánica estadística en semiconductores Los electrones en equilibrio térmico se distribuyen según estadística de Fermi-Dirac IH ( 7 = + H ( – µ N%7 con el potencial químico y kB la cte. de Boltzman, [ =EF] (kBT= 25 meV @ 300 K) Fermiones, Principio de Exclusión de Pauli 1.00 0.75 0.1 K (0.83 meV) 12 K (1 meV) 144 K (12 meV) 300 K (25 meV) , energía para la que ocupación = ½ A T=0, f = función escalera 0.50 Para huecos: 0.25 ( – µ 0.00 0 10 20 30 40 50 Energía (kBT) 60 70 IK ( 7 = – + H ( – µ N%7 = N%7 ( – µ + H = + H – ( – µ N%7 Energías hacia abajo
– ³ I y ¸ ¨ ¸ © Distribución de portadores Mecánica estadística en semiconductores Para energías mucho mayores que , la distribución se comporta como Maxwell-Boltzmann: I0 – % ( 7 = $ H ( N%7 FRQ µ $ = H N%7 Probabilidades de ocupación bajas poca influencia Ppo Exclusión de Pauli La posición de (EF) depende de Nº e’s, N, y de distribución en energía de estados disponibles El nº de e’s por unidad de intervalo de energía es: Q ( = I (7 J ( FRQ J ( OD GHQVLGDG GH HVWDGRV Con lo que el número total de e’s: 1 = ( 7 J ( G( es como un parámetro de normalización para dar N correcto Para una densidad de estados parabólica y a T = 0 K: 1 = ³ () § P · p ¨ = ¹ ( G( = § P · p © = ¹ () () = = = P ( p 1 )
Distribución de portadores Mecánica estadística en semiconductores Estadísticas degeneradas y no-degeneradas Muy pocos e’s probabilidad de ocupación a T finita << 1 aproximación de Maxwell-Boltzmann Muchos e’s probabilidad de ocupación de algunos estados ~ 1 Estadística de Fermi-Dirac >>kBT no-degenerada > 2kBT dentro del gap >>kBT degenerada Incluso a T 0: () = = = P ( p 1 ) > 4kBT dentro de la banda
Portadores, diagrama de energía no-degenerada DOS densidad de estados g(E) Distribución Fermi-Dirac Densidad de energía de los electrones = f(E)g(E) (BC) © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
– Si = N7 § P · en (intrínseco) Ley de acción de masas Mecánica estadística en semiconductores Si uno de los siguientes criterios se cumple: ¾Masa efectiva grande Válida estadística no-degenerada ¾Concentración de portadores pequeña ¾Alta temperatura Usando un mismo nivel de referencia de energías para BC y BV y mismo convenio de signos: S ? 1Y H ()K N%7 Q ? 1F H ()H – (J N%7 Por lo que: QS = QL Con QL = 1F 1Y H – (J N%7 Sin dopaje (intrínseco) ni (cm-3) GaAs 0º C 1.04×109 1.02×105 50º C 7.06×1010 2.18×107 el nº de e’s y h’s debe ser el mismo () = (J + N%7 § 1 ORJ ¨ F © 1Y · (J ¸ ¹ + % ORJ ¨ K ¸ © P H ¹ EF cerca del medio del gap
Bandas de energía intrínseco tipo n tipo p EF degenerado tipo n tipo p – + © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
Unión pn ‘built-in potential’ © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
Unión pn NA concentración de aceptores ND concentración de donores http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf
Unión pn portadores mayoritarios portadores minoritarios
Electrostática de la unión p-n 4 3 ?(x) 2 1 9 = -xp E(x) xn x 9 = 9 = T1 $ e T1 ' e [ + [ S – [ + [[Q + 1 ' 1 $ [Q V(x) 9 = T1 ' e [Q + T1 $ e [ S = 9L Vi w
9 § ¨ ¸ Electrostática de la unión p-n 4 3 2 1 Union real (LPE) -xp ?(x) xn x ? [ = e 9D D + [ [ E(x) V(x) ( [ = – 9D D + [ Vi 9 [ = ¨ – © [ D + [ · ¸ ¹
Drift Transporte NA concentración de aceptores ND concentración de donores conductividad: s = TQµH + TSµ K corriente ohmica: (drift) movilidad= velocidad de drift promedio por unidad de campo µH = ?' ( = – Tt H PH Difusión difusión: De (electrones) Dh (huecos) relación de Einstein 'H K µH K = N%7 T
§ ¸ = Electrostática de la unión p-n – + jdiff jdrift – – + + E M = MGULIW + MGLII = T¨ Qµ ( + ' © GQ · G[ ¹
= [Q = [S e ° ° ª e § · º ¨ 1 + 1 ¸9L » ¬ T © ' $ ¹ ¼ ¿ ( ª e º Anchura de la zona de vaciado ?(x) = depletion layer = space charge layer (SCL) -xp xn x ( 9L = T T1' T1$ e e 1$ [S + 1' [Q = ½ ¾ : = [Q + [S = « ¨ ¸ [Q + [S ° 1 ' >> 1 $ ? : = « 9L » ¬ T1 $ ¼ Manda el dopaje residual
¨ ¹ Polarización Sin polarizar Nivel de Fermi igual en todo el material Polarización directa (forward bias) Polarización inversa (reverse bias) Polarización: Vi ? Vi-V : = e T § 9L – 9 ¨ © · + ¸ 1 ' 1 $ ¸
N %7 circuito abierto polarización inversa Unión pn: polarización © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Boltzmann H- H 9 -9 polarización directa generación térmica de portadores
Polarización directa © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
Q Corrientes a través de la unión p-n p MHS?Q MHQ? S M M Q? S H S ?Q K Inyección y difusión M S?Q K n M M S ?Q H Q? S K Generación térmica + drift MK ? S Corriente ohmica G ( ? ? – GU = TQµ( Corriente de difusión ?Q ?[ ? ? – GLII = T' G ?Q G[ Equilibrio: M S? Q H = M Q? S H M S?Q K = M Q? S K
p n M = T¨ ¸¨ ¸ © Corrientes a través de la unión p-n Polarización directa 'H K = µH K N%7 T /H K = t H K 'H K + – pP0 Longitud de difusión Log (n,p) nN0 § 'K S 1 ¨ /K + 'H Q3 /H ·§ ¸¨ H ¹© T9 N7 · – ¸ ¹ nP(0-) nP0 dn(x) dp(x) pn(0+) pN0 W
Polarización inversa © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
– ¨ § 'K S1 N7 jS Electrostática de la unión p-n Polarización inversa p 9 ? -9 ? H T9 N7 – ? H T9 N7 – ˜ – n M ˜ – T¨ © /K + 'H Q3 /H · ¸ = MV ¹ En general: § T9 · M = MV ¨ H – ¸ © ¹ V > meV M = MV H T9 N7 ? I
N7 Ecuación del diodo En general: § T9 · M = MV ¨ H – ¸ © ¹ jS
3 Luminiscencia por inyección Polarización directa Inyección de portadores minoritarios Recombinación radiativa ?J = KF (J KF ?J = (F – (Y = (J
Densidad de portadores Polarización Directa Inversa p n p n Portadores Mayoritarios Portadores minoritarios
Homouniones y heterouniones Homounión Homounión Heterounión doble Sin Polarizar Polarización directa Polarización directa
4 Materiales para LEDs
• • • • • • • • Materiales para LEDs GaAs GaP GaAs1-xPx GaxAl1-xAs III-V Nitruros GaN, AlN, .. InP (compuestos) InGaAs, InGaPAs II-VI (ZnSe .. ) SiC Eg=1.43 eV (860 nm) Zn en tipo n GaAs Si en material tipo p o n (más eficiente) Eg=2.26 eV (549 nm) gap indirecto O impureza profunda de directo x<0.45 a indirecto x>0.45 alta eficiencia rojo e IR azul-verde IR cercano: 1.1 – 1.6 µm uso: comunicaciones con fibra óptica degradación difícil fabricación
Materiales semiconductores para LEDs
Atenuación de una Fibra Óptica
Semiconductores III-V El sistema AlGaAs apto para LEDs IR y rojo de alta potencia
El sistema AlGaInP/GaAs Sistema para LEDs muy brillantes en el rojo, naranja y amarillo
5 • • • Recombinación A) radiativa Transiciones Interbanda Centros de Impureza Excitones B) NO-radiativa • Trampas • Superficie • Auger
Ec Ev Recombinación radiativa Transiciones Interbanda Conservación de vector de onda total N IRWRQ = p ? << p D ˜ NHOHFWURQ ( D constante de red) -> transiciones verticales Coeficiente de recombinación r : r=Bnp B constante del material (direct recombination capture coefficient) Problema: reabsorción de fotones emitidos es posible Directa Indirecta Transiciones indirectas necesitan fonon para conservación de k
Constante de Recombinación indirecto directo
Recombinación radiativa Recombinación por centros de impureza Banda de Conducción – Nivel de donor Banda de Valencia Electrón en impureza: localizado – Nivel de aceptor ? [ ? S = = ? N = ? [ ? [ ˜ D ? N = ? [ ˜ D FRPSDUDEOH FRQ p D ( D constante de red) transiciones indirectas posibles sin fonones
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN LA VERSIÓN DE DESCARGA