Valodiodit (Photodiodes)

Transkriptio

1 Valodiodit (Photodiodes) Valoa, jonka fotonin energia hv E g (kielletty energiarako) voidaan käyttää lisäämään puolijohteen varauksenkuljettajien määrää eli aiheuttamaan ylimäärävarauksenkuljettajia δn ja δp

2 E c Jos materiaaliin tulevan säteilyn fotonin energia (E = hν) on suurempi kuin energiarako (E g ), tapahtuu fotonin absorbtio (hν > Eg) δn Jos fotonin energia on pienempi kuin puolijohteen energiarako (hν < Eg) niin materiaali on läpinäkyvä siihen tulevan säteilyn kannalta. E g E v hν hν > E g δp hν < E g

3 Valo ( hv E g ) aiheuttaa ylimäärävarauksenkuljettajien δn ja δp generaation. δn δp = τ g n = τ g p op op g op = optinen generaationopeus [EHP/cm3-s] n = n p = p + δn 0 Valon määrä voitaisiin mitata vastuksen muutoksesta. 0 + δp Valodiodissa puolijohdeliitoksen ominaisuuksia käytetään parantamaan mittauksen herkkyyttä ja nopeutta. Aurinkokenno muuttaa puolijohdeliitoksessa optista säteilyenergiaa sähköenergiaksi.

4 Virta ja jännite valaistussa liitoksessa (Current and Voltage in an Illuminated Junction) Optinen generaatio aiheuttaa varauksenkuljettajaparien (EHP) muodostumista.

5 avaruusvaraus p - + n E

6 avaruusvaraus p - + n E

7 avaruusvaraus p - + n E Liitoksen p-puolelta optisen generaation synnyttämät elektronit diffusoituvat tyhjennysalueen sähkökenttään etäisyydeltä Ln ja aukot vastaavasti n-puolelta etäisyydeltä Lp.

8 W p - + n L n Liitoksen p-puolelta optisen generaation synnyttämät elektronit diffusoituvat tyhjennysalueen sähkökenttään etäisyydeltä Ln ja aukot vastaavasti n-puolelta etäisyydeltä Lp. Tästä aiheutuu virta: L p ( L + L W ) Iop = qagop p n + Diodin kokonaisvirta on nyt (oletetaan W < L n, L p ) ( qu kt ) + qag ( L L ) I = J A e op p n

9 I U pn-liitoksen (diodin) ominaiskäyrä

10 I U g op pn-liitoksen (diodin) ominaiskäyrä laskee I op verran

11 Jos diodi oikosuljetaan eli U = 0, kulkee diodissa virta I = -I op Jos diodi on avoin eli I = 0, muodostuu jännite U oc + = kt ( L ) ln p L n q g + 1 L op ( p ) p + ( ) n p τ p n Ln τ n Symmetrisen liitoksen tapauksessa p n = np τ p = τn p n = τn g th g th - lämpögeneraatio g U = kt q ln g op, g >> g oc th op th

12 c F v qu 0 p n U oc kt q ln g g op th Valojännite-efekti (photovoltaic effect) = c F v p qu OC n Optisen generaation kasvaessa g op U oc U 0

13 qu kt ( ) + qag ( L L ) I = J A e op p n I Käyttösovelluksesta riippuen valodiodia voidaan käyttää ominais-käyrästön 3. tai 4. kvadrantissa. c F v qu OC 3. kvadrantti p 4. kvadrantti n U ulkoinen jännite U < 0 I g op optisen säteilyn mittaus ei ulkoista jännitettä, liitos tuottaa sähköenergiaa kenno

14 Aurinkokennot (Solar Cells) Si: qu oc qu 0 < E g (1.1 ev) A = 1 cm 2 I = ma n M antireflect. d p Aurinkokennon rakenne a) poikkileikkaus, b) kuva päältä sormirakenteisesta elektrodista

15 n M antireflect. d Aurinkokennon rakenteen mitoituksessa huomioitavia seikkoja: p liitoksen syvyys d L p, jotta pinnassa muodostuvat aukot pystyvät diffusoitumaan liitokseen optisen tunkeutumissyvyyden vastattava generaation keräilyaluetta voidaan hyödyntää koko generaatio d + L n 1/α pinta käsiteltävä heijastuksen ja pintarekombinaation pienentämiseksi pintaelektrodi liuskoitettava sarjavastus oltava pieni.

16 Aurinkokennon maksimiteho on P = UI dp du = 0 qu kt ( ) + qag ( L L ) I = J A e op p n U = U, I = m I m Ir U m I m U oc I sc täytekertoin (Fill Factor) Isc Im Um Uoc U I-V characteristic of an illuminated solar cell (the maximum power rectangle).

17 Cadmium telluride (CdTe), copper indium gallium selenide (CIGS, CIS), amorphous silicon Multijunction photovoltaic cell (GaAs) Silicon nanostructures Silicon printing on low cost flexible polymer film Organic / Polymer solar cells built from thin films of organic semiconductors.

18 Valoilmaisimet (Photodetectors) 1) Normaali valodiodi (W < Ln, Lp) 2) Tyhjennysalue valodiodi 3) pin-valodetektori 4) Vyöryläpilyöntivalodiodi 5) Monikerrosheterorakenteet I op 3. kvadrantti op ( L L ) I = qag + p n U ulkoinen jännite U < 0 I g op optisen säteilyn mittaus

19 1) Normaalin valodiodin tapauksessa (W < Ln, Lp) ilmaisun nopeutta rajoittaa EHP-generaation jälkeinen varauksenkuljettajien diffuusio sähkökenttään. Tyhjennysalueessa varauksenkuljettajat liikkuvat sähkökentän kiihdyttiminä nopeasti. p avaruusvaraus - + n Nopeuden vuoksi halutaan, että EHP-generaatio tapahtuisi tyhjennysalueessa. E avaruusvaraus 2) Tyhjennysalue valodiodi (Depletion Layer Photodiode) saadaan seostamalla pn-liitos heikosti, jolloin W on laaja. W ei saa kuitenkaan olla liian laaja, jotta varauksen-kuljettajien kulkuaika ei rajoittaisi vuorostaan ilmaisunopeutta. p - E + n

20 avaruusvaraus 3) pin-valodetektori (p-i-n photodetector) i = intrinsic; itseisjohtava tai erittäin vähän duupattu alue, jonka tyhjennysalue täyttää kokonaan p + i n + E Ur

21 4) Vyöryläpilyöntivalodiodi (Avalanche Photodiode) Ilmaisun herkkyyttä nostetaan esijännittämällä diodi lähelle vyöryläpilyöntiä, jolloin varauksenkuljettajien määrä kertautuu vyöryker-toimella M. I 3. kvadrantti U

22 5) Monikerrosheterorakenteet Monikerroksisilla yhdistepuolijohteilla voidaan räätälöidä materiaalin kielletyn energiaraon suuruutta p-i-n valodiodin herkkyyden kasvattamiseksi. Es. ilmaistuna 1,55 μm valo ei absorpoidu InP kerroksiin. Absorptio tapahtuu heteroliitoksen In0,53 Ga 0,47 As alueessa (i-alue). Näin läpinäkyvällä ikkunalla vältetään pintaosissa tapahtuva rekombinaatio. p+ (InP) n (InP) p+ (InP) metal 1,55 μm i (InGaAs)

23 Valoa emittoivat diodit (Light Emitting Diodes = LED) Epäsuoran energiavyön materiaaleilla (Si,Ge) rekombinaatioenergia muuttuu hilan lämmöksi. Suoran energiavyön materiaaleilla (GaAs), huomattava osuus energiasta säteilee valona.

24 Puolijohteiden energiarakotyypit Energiarako voi olla suora ( johtavuuskaistan minimiarvo ja valenssikaistan maksimiarvo ovat samalla aaltovektorin k arvolla) tai epäsuora. suora energiarako k epäsuora energiarako k E E Si E g hν=e g E k g k GaAs. Suora energiarako. Elektronin transitiossa johtavuuskaistalta valenssikaistalle sen liikemäärä ei muutu. Si. Epäsuora energiarako. Elektronin transitio johtavuuskaistalta valenssikaistalle voi tapahtua energiaraossa olevan välitilan kautta. Elektronin liikemäärä muuttuu vähän, ja se luovuttaa energiaa fononeille.

25 Yhdistelmäpuolijohteet, joilla on suora energiarako (es. GaAs) ovat emittoivia materiaaleja. Luminesenssi on säteilyn emissiota, joka ilmenee elektronien siirtyessä jostakin viritystilasta perustilaan (tai muulle alempana olevalle energiatasolle). E c hν hν E v

26 LED- materiaalit (Light-Emitting Materials)

27 LED-väri riippuu käytetyn puolijohteen energiavyöstä (Eg). Yhdiste-puolijohteilla on laaja valikoima suoran energiavyön tapauksia. ZnS (3,6 ev) In Sb (0,18 ev) Sekoittamalla erilaisia yhdistepuolijohteita saadaan Eg:n väliarvoja GaAs Myös epäsuoran vyön aluetta voidaan käyttää. Materiaali on tällöin seostettava typellä, joka tehokkaasti sitoo elektroneja läheisyyteen-sä, jolloin suoran hypyn todennäköisyys kasvaa myös epäsuoran vyön tapauksessa. GaAs 1-x P x

28

29 GaAs 0.6 P 0.4 red LED

30 GaP:N green LED

31 AlGaAs high-brightness red LED

32 LED-VALODIODI-KYTKIN

33 GaAs, GaAsP, GaP, AlGaAs IC(Si), VLSI (Si) Si -? Letters to Nature Nature 433, (17 February 2005) A continuous-wave Raman silicon laser Haisheng Rong, Richard Jones, Ansheng Liu, Oded Cohen, Dani Hak, Alexander Fang and Mario Paniccia Intel Corporation, 2200 Mission College Blvd, CHP3-109, Santa Clara, California 95054, USA Intel Corporation, SBI Park Har Hotzvim, Jerusalem, 91031, Israel Achieving optical gain and/or lasing in silicon has been one of the most challenging goals in silicon-based photonics because bulk silicon is an indirect bandgap semiconductor and therefore has a very low light emission efficiency. Recently, stimulated Raman scattering has been used to demonstrate light amplification and lasing in silicon. Here we demonstrate a continuous-wave silicon Raman laser. (a reverse-biased p-i-n diode embedded in a silicon waveguide). The demonstration of a continuous-wave silicon laser represents a significant milestone for silicon-based optoelectronic devices.

34 BIPOLAARI LIITOSTRANSISTORI (Bipolar Junction Transistor- BJT) v.1948 Bardeen, Brattain, Schockley Bipolaari -nimitys tulee siitä, että komponenttien toimintaan tarvitaan molempia varauksenkuljettajalajeja. Vastakohtana unipolaari-transistorit; varauksenkuljettajina joko elektronit tai aukot.

35 Varauksenkuljettajien kulku BJT:ssä (Charge Transport in a BJT) Bipolaaritransistori perustuu kahteen erisuuntaiseen, perättäiseen pn-liitokseen. Vaihtoehdot: pn-np = pnp ja np-pn = npn Jatkossa tarkastellaan tapausta pnp p - + n p + n p n

36 Optinen generaatio antoi mahdollisuuden kasvattaa estosuuntaisen pn-liitoksen virtaa I avaruusvaraus p - + n E U g op

37 Toinen menetelmä estosuuntaisen virran kasvattamiseksi on tuoda päästösuuntainen liitos alle injektoituneitten varauksenkuljettajien diffuusiomatkan päähän estosuuntaisesta liitoksesta

38 Aukkoja injektoiva liitos on p+n. Aluetta p+ kutsutaan emitteriksi. Aukkoja vastaanottava liitos on estosuuntainen np-liitos. Aluetta p kutsutaan kollektoriksi. Jotta aukot saavuttaisivat kollektorin, tulee keskialueen (n-alueen, jota kutsutaan kannaksi) laajuuden olla: Wb << Lp Osa kantaan injektoituneista aukoista ehtii rekombinoitua. Tähän tarvittavat elektronit on otettava kantaelektrodista. Samoin kantavirtaa tarvitaan korvaamaan elektronien injektio emitterille.

39 pnp-transistorin virtakomponentit 1) Injektoituneista aukoista elektronien kanssa rekombinoituva osa 2) Kollektorin saavuttavat aukot 3) Estosuuntaisessa kollektoriliitoksessa lämpögeneraation kautta syntyvät elektronija aukkovirrat 4) Kantakontaktin tuottamat rekombinaatioon tarvittavat elektronit 5) Emitterille päästösuuntaisessa liitoksessa injektoituvat elektronit Estosuuntaisessa kollektoriliitoksessa kulkee aukkoinjektion lisäksi normaali estosuuntainen virta.

40 kollektoriominaiskäyrästö

41 E Emitter P+ Base N Collector P C pnp BJT B E Emitter N+ Base P Collector N C npn BJT B

42 E Emitter P+ Base N Collector P C E Emitter N+ Base P Collector N C B B

43 Common base Common emitter

44 Common collector

45

46

47 BJT:n vahvistus (Amplification with BJT) Oletetaan: kollektorin estovirta 0. Tällöin kollektorille tuleva aukkoinjektio muodostaa kollektorin virran (B on kannan siirtokerroin - base transport factor) i = C Bi Ep Emitterivirta muodostuu komponenteista i = i + i E Ep En emitterin aukkoinjektio komponentti elektroniinjektio kannalta emitterille Emitterin injektion tehokkuus γ (emitter injection efficience γ) γ = i Ep i Ep + i En i i C E = BiEp = γ α i + i B Ep En α on virtasiirtokerroin (current transfer ratio), jota kutsutaan emitterikollektorivirtavahvistuskertoimeksi ja tavallisesti vain α-virtavahvistuskertoimeksi.

48 γ = i Ep i Ep + i En i i C E = BiEp = γ α i + i B Ep En α-virtavahvistuskerroin i = i + 1 B Kantavirta B En ( ) Ep i i i C B = Bγ = 1 Bγ α 1 α β β on kanta-kollektori virtavahvistuskerroin virtavahvistus α on vähän < 1 virtavahvistus β on >> 1 (useita satoja)

49 Kantaelektrodista tuleva elektroni rekombinoituu aukon kanssa keskimäärin ajan τ p jälkeen. Aukkojen kulkuaika emitteriltä kollektorille τ t < τ p. Tarvitaan keskimäärin τ p /τ t aukkoa kompensoimaan yhden elektronin varaus eli τ p β = τt 10μs = 0,1μ s = 100 aukkojen injektiota kollektorille säädetään kantavirralla virtaohjaus, virtavahvistus Jos emitteri on yhteinen, kutsutaan kytkentää yhteisemitterikytken-näksi, vastaavasti jos kanta on yhteinen on kytkentä yhteiskanta-kytkentä. Virtavahvistuskerrointa α kutsutaan myös yhteiskantakyt-kennän ja virtavahvistuskerrointa β yhteisemitterikytkennän virtavahvistuskertoimiksi.

50 Bipolaaritransistorin valmistus (BJT Fabrication) - transistorin toiminta keksittiin kärkitransistorirakenteella - ensimmäiset komponentit perustuivat germanium puolijohteeseen ja seostustekniikkaan ( p+np+ge transistori ) - npn-diffusoidut rakenteet, Si