– Tiempo de vida de portadores minoritarios t U = ( %Q ) GaAs a 300 K 1 µV 1 QV Tiempo de vida disminuye con dopaje
Ritmo en GaAs y Si radiativa Rb-b interbanda no-radiativa Rdl nivel profundo RA Auger
? U = 8 Eficiencias de Eficiencia ¾ inyección ¾ recombinación (interna) ¾ extracción ?LQ ?H la parte de la corriente creando portadores minoritarios para recombinar ? U = 5U (5U + 5QU ) nº fotones emitido al exterior / total emitido Total ( conversión externa) ? = ?LQ ? U ?H ? = ?H[WHUQD 3RXW 2SWLFDO ,9
Eficiencia de materiales LED
= T¨ N7 ¸¨ ¸ + – © + – Eficiencia de inyección Corriente a través de la unión p-n en polarización directa ?LQ M = MK + MH § 'K S 1 ¨ /K + 'H Q3 /H ·§ T9 · ¸¨ H – ¸ ¹© ¹ Para sólo inyección de electrones en capa p Electrones inyectados en la parte p Corriente total = ? LQ = MK MH + – + MH = 'H Q3 /H 'K S 1 'H Q3 /K /H
Eficiencia de inyección Para sólo inyección de electrones en capa p ?LQ ? LQ = + 'K /H S 1 'H /K Q3 ˜ + µ K S 3 µ H Q 1 con µH >> µK /H ˜ /K Q3 S3 = Q1 S1 = QL ? ?LQ ? mas alta con nN >> pP capa n mas dopado
?LQ ?(x) x Dispositivo con sólo inyección de electrones p n LED Asimétrico: Unión n+-p : ND (capa n) >> NA (capa p) -xp E(x) xn 1 ' [Q = 1 $ [ S ? 9S >> 9Q Realización de nN >> pP V(x) Sólo importan para la recombinación electrones minoritarios inyectados en capa p Vi w
?LQ Union n+-p : Surface-emitting LED simple y barato por ejemplo: – con emisión de excitones (GaP) – heterouniones energía emisión < energía gap
?U Eficiencia de Recombinación ? U = 5U (5U + 5QU ) Materiales de gap directo (homounión) ~ 50% – electrones entran profundo en región activa – fotones reabsorbidos – fotones emitidos hacia dentro del LED Materiales de gap indirecto: con impurezas profundas: GaP:Zn, O: GaP:N Estructuras de Doble Heterounión: pequeño ~ 30% ~ 3% 60 – 80%
?H Eficiencia de extracción Limitado por: 1. Reabsorción
?H ) Eficiencia de extracción Limitado por: 2. Geometría de radiación del LED (fotones emitidos con ? > ?c atrapados) ?F = VLQ – (Q Q Para GaAs n=3.6 ?c=17º
?H § Q ¨ Q « – ¨ ¸ ¬ ¼ · ¸ ¸ ¹ © ¹ Eficiencia de extracción Fracción transmitida a medio 2 ) = ¨ © ª § Q – Q · º « ¨ Q + Q ¸ » GaAs: n1=3.6, n2=1 (aire) F ˜ 0.013 n2=1.5 (plástico) F ˜ 0.036
?H Distribución angular de Intensidad
?H Distribución angular de Intensidad LED planar: Lambertian , , FRV F
?H Eficiencia de extracción (ILFLHQFLD H[WHUQD 7,3 /(' YV /(' FRQYHQFLRQDO /DUJH -XQFWLRQ
Recombinación en gap indirecto- GaAsP nivel N Energía de emisión
? Eficiencia externa (total)
? Eficiencia externa (total)
?F ) Perdidas al acoplar con una fibra Fibra con índice núcleo nr 1, índice ‘capa’ nr 2 (nr 1 > nr 2) Angulo de aceptación: An apertura numérica ? D = VLQ – (QU – QU = VLQ – ($Q ) Eficiencia de acoplo: ?F = VLQ ?D
9 Estructuras: LED de heterounión Homounión Homounión Heterounión doble Sin Polarizar Polarización directa Polarización directa
Estructuras: LED de heterounión unión p n+ Problemas con homouniones: 1. estados de superficie en capa p cerca de la unión ? recomb. no radiativa 2. electrones inyectados en capa p se alejan por difusión, recombinan con portadores mayoritarios de forma no radiativa 3. reabsorción posible Ventajas heterounión: 1. densidad estados intercara << densidad de estados superficie 2. barrera es transparente para luz emitido (no hay reabsorción) 3. eficiencia de inyección mayor
Estructuras: LED de heterounión AlxGa1-xAs p- AlxGa1-xAs zona activa delgada GaAs 1000 – 2000 con polarización directa
Heterounión doble: Eficiencia de Recombinación 60 % ?U
Burrus Surface Emitting diode
LEDs acoplados a una fibra Fibra con final esférico Microlente Lente integrado
LEDs acoplados a una fibra Lente integrado
LED emitiendo por el borde divergencia reducida
Estructuras especiales: dispersión de corriente Contacto hace sombra, con capa extra sale mas luz
Estructuras especiales: sustrato transparente (TS)
Estructuras especiales: pirámide invertida total external efficiency of 55%
10 Tiempos de respuesta Tiempo de respuesta típica de un LED < 1 µs • suficiente para pantallas • crítico para uso en comunicación óptica Factores que limitan: 1. Capacidad de la unión, causado por variación de la carga por Vext (tiempo RC) & = 9L – 9H[W Te1$ 2. Capacidad de difusión: La carga inyectada desaparece por difusión y recombinación Con modulación de Vext (bias) la carga tiene que desaparecer por difusión, para adquirir nuevo equilibrio. ? tiempo de vida de portadores minoritarios es determinante
t t Tiempos de respuesta Electrones inyectados en capa p Densidad de electrones en exceso n disminuye por recombinación y difusión ?Q([ W ) ?W = – 5 + 'H ? Q([ W ) ?[ 5 = Q([) Respuesta a una modulación Q [ W = Q [ + Q [ H[S(L?W ) Respuesta del LED: U (? ) = ( + ? t ) = 3 ? 3 tiempo de vida de portadores minoritarios
– – J d Tiempos de respuesta / modulación Mejor respuesta con t pequeño, se consigue con: 1. Mayor dopaje GaAs: dopaje alto: formación de centros no-radiativos t = 1.4 ns 2. Dopaje bajo, zona activa pequeña, inyección alta densidad de corriente de inyección región activa J/de nº de recombinaciones / m3s = R t = ( %Q ) t ? ( % ?Q ) ?Q = -t HG § HG · ? t = ¨ ¸ © -% ¹
Tiempos de respuesta / modulación Formulación alternativa: anchura de banda : frecuencia a la cual P disminuye 3dB Potencia de salida en función de la modulación MHz
11 DC AC Circuitos I ~ 20 – 100 mA Vdirecta 1.2 V (GaAs) 2 V (GaP)
Circuito para modulación
12 LED en cavidad resonante (RCLED)
RCLED – modos en una cavidad Solape de la emisión espontánea con modo de cavidad
Distributed Bragg Reflector (DBR)
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