Optoelettronica

Appunti del corso 2005-2006 di Materiali Semiconduttori e Dispositivi Optoelettronici del Prof. A. Fantoni - Università degli Studi di Cagliari, Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche Naturali, Dipartimento di Matematica ed Informatica, Corso di Laurea Specialistica in Tecnologie Informatiche

• materiali semiconduttori
  • concetti generali
    • semiconduttori
      • elementi che hanno una resistività intermedia tra i conduttori e gli isolanti
      • sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici quali i transistor, i diodi, ecc.
      • le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità
      • le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo
      • gli elementi semiconduttori elementari (naturali) sono localizzati nella colonna IV-A della tabella periodica degli elementi (Silicio, Germanio)
      • classificazione
        • elementari
          • Si, Ge
        • composti III-V
          • binari
            • GaAs, InP, GaSb, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, InAs, InSb
          • ternari
            • Al_XGa_1-XAs, In_XGa_1-XP, GaAs_XP_1-X
          • quaternari
            • In_XGa_1-XAs_YP_1-Y
        • composti II-VI
          • binari
            • ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe,CdTe, HgS
          • ternari
            • Hg_XCd_1-XTe
      • resistività ρ
        • è generalmente compresa tra 10⁸ e 10^-3 Ω·cm
    • modelli atomici
      • Ruthenford
        • descrive l'atomo come un sistema solare in miniatura in cui gli elettroni ruotano come pianeti attorno al nucleo
      • Bohr
        • "quantizza" le orbite per dare una spiegazione della stabilità dell'atomo
      • Schrödinger
        • abbandona l'idea di orbite precise ed introduce una descrizione delle regioni dello spazio (orbitali) basata sulla probabilità di trovare gli elettroni
    • livelli di energia e numeri quantici
      • numero quantico principale
        • quantizza l'energia dell'elettrone
      • numero quantico del momento angolare dell'orbita
        • quantizza la magnitudine del momento angolare dell'orbita
      • numero quantico magnetico
        • quantizza la magnitudine della componente del momento angolare dell'orbita lungo il campo magnetico
      • numero quantico dello spin magnetico
        • quantizza la componente del momento angolare dello spin lungo il campo magnetico
    • bande di energia
      • dal punto di vista della teoria della bande di energia un semiconduttore ha le stesse proprietà di un isolante
      • banda di valenza
        • tutti gli elettroni si trovano in questa banda a 0ºK
      • banda di conduzione
        • si trova ad un livello energetico più alto della banda di valenza
        • affinché il materiale possa condurre è necessario che in questa banda ci siano degli elettroni
        • a 0ºK la banda di conduzione è vuota
      • banda proibita (E_g)
        • zona che si trova tra la banda di valenza e quella di conduzione
        • la dimensione della banda proibita permette di distinguere tra semiconduttori ed isolanti
        • se la banda proibita ha una dimensione minore di 2 eV il materiale è classificato come un semiconduttore
        • se la banda proibita è nulla, il materiale è conduttore
    • elettroni e lacune
      • lacuna
        • è l'assenza di un elettrone in un legame covalente
        • serve da portatore di carica elettrica in una forma equivalente a quella degli elettroni liberi
      • con l'aumento della temperatura alcuni dei legami covalenti si rompono a causa dell'energia termica assorbita dagli elettroni, l'energia minima cui cio succede é determinata dalla dimensione della banda proibita, gli elettroni sono allora eccitati dalla banda di valenza alla banda di conduzione e rendono possibile la conduzione elettrica (elettroni liberi)
    • energia di Fermi (E_f)
      • livello di energia intermedio tra la banda di valenza e quella di conduzione
      • quando la temperatura tende allo zero assoluto, l'energia di Fermi rappresenta il massimo valore di energia cui è possibile incontrare elettroni
      • rappresenta gli stati energetici con una probabilità del 50% di essere occupati da elettroni
    • statistica di Fermi-Dirac
      • f(E) = 1 / (1 + exp[(E - E_f) / KT])
        • E: energia [eV]
        • E_f: levello energetico di Fermi [eV]
        • K: costante di Boltzmann [eV K^-1]
        • T: temperatura [K]
      • la distribuzione di Fermi-Dirac specifica la frazione degli stati energetici occupati da elettroni in condizioni di equilibrio termodinamico
      • si basa sulle seguenti condizioni:
        • gli elettroni non sono distinguibili tra loro
        • un determinato stato energetico può essere occupato solamente da un elettrone (principio di Pauli)
        • gli elettroni sono statisticamente indipendenti
    • densità degli stati (DOS)
      • distribuzione della probabilità della presenza di elettroni in base al livello energetico
      • nella banda proibita il DOS è sempre zero
    • conduttività elettrica
      • la corrente elettrica (J) che attraversa un semiconduttore cui è applicato un campo elettrico è data dalla legge di Ohm:
        • J = σE
          • σ: conduttività elettrica del materiale [Ω_-1m_-1]
            • è l'inverso della resistività (1/ρ)
            • σ = q(μ_nn + μ_pp)
    • concentrazione intrinseca di portatori
      • per calcolare la conduttività elettrica di un semiconduttore è necessario determinare la concentrazione di portatori di carica nelle bande di conduzione e di valenza
      • la concentrazione di elettroni liberi (n) può essere calcolata integrando sulla banda di conduzione il prodotto della DOS e della probabilità di occupazione
      • la concentrazione di lacune (p) può essere calcolata integrando sulla banda di valenza il prodotto della DOS e della probabilità di occupazione
      • considerazioni
        • per piccole variazioni della temperatura (40°K) la distribuzione di Fermi-Dirac varia leggermente, ma il valore delle concentrazioni di elettroni e lacune presenta una variazione di quasi un ordine di grandezza
        • indipendentemente dalla temperatura considerata le distribuzioni di elettroni e lacune nelle rispettive bande di energia sono simmetriche: per ogni elettrone che assorbe energia sufficente per essere eccitato nella banda di conduzione appare una lacuna nella banda di valenza
        • la concentrazione principale di elettroni liberi si trova vicino al limite inferiore della banda di conduzione, dove la probabilità di occupazione determinata dalla distribuzione di Fermi-Dirac è maggiore
        • la concentrazione principale di lacune si trova vicino al limite superiore della banda di valenza, dove la probabilità di occupazione determinata dalla distribuzione di Fermi-Dirac è maggiore
      • analisi teorica
        • posto n = numero di elettroni e p = numero di lacune
        • n = p
        • np = n_i² (concentrazione intrinseca)
        • n_i² = Sqrt[N_cN_v] exp[-E_g / 2kT]
      • concentrazione intrinseca e temperatura
        • il valore di n_i aumenta con la temperatura in tutti i semiconduttori
        • l'andamento di n_i con la temperatura è esponenziale e un incremento di 50°K può causare un aumento di n_i di alcuni ordini di grandezza
        • ad una temperatura fissa, i materiali con un minore E_g hanno un maggiore n_i
    • semiconduttori estrinseci
      • un semiconduttore le cui proprieta elettriche sono dominate dalla presenza di impurita e detto semiconduttore estrinseco (o drogato)
      • concentrazioni di impurita fino all'1% rimangono dentro il limite di solubilita, non cambiano la struttura cristallina del materiale, non provocano cambio di fase e sono tipicamente utilizzate nella costruzione di dispositivi a semiconduttore
      • l'obiettivo dell'introduzione di impurita è di controllare la concentrazione dei portatori di carica ed intrudurre elettroni liberi
      • donori (→ semiconduttore di tipo N)
        • impurità della colonna V della tabella periodica degli elementi
        • l'introduzione di queste impurità rende il semiconduttore di tipo N
          • il numero di elettroni nella banda di conduzione è superiore al numero di lacune nella banda di valenza
          • l'energia di Fermi aumenta, si sposta in alto verso la banda di conduzione
      • accettori (→ semiconduttore di tipo P)
        • impurità della colonna III della tabella periodica degli elementi
        • l'introduzione di queste impurità rende il semiconduttore di tipo P
          • il numero di elettroni nella banda di conduzione è inferiore al numero di lacune nella banda di valenza
          • l'energia di Fermi diminuisce, si sposta in basso verso la banda di valenza
      • analisi teorica
        • considerando la legge di azione delle masse e la necessità della neutralità elettrica, nel caso dei semiconduttori estrinseci le concentrazioni n e p possono essere calcolate come la soluzione del sistema di equazioni:
          • n + N_A^- = p + N_D⁺
          • np = n_i²
        • per ovviare a problemi causati dall'aritmetica finita in virgola mobile delle macchine calcolatrici o dei computer, la risoluzione di questo sistema deve essere effetuata in forma differente nei semiconduttori tipo N e tipo P
      • considerazioni
        • l'introduzione di impurità determina un tipo di portatori maggioritario (elettroni nei materiali tipo N, lacune nei materiali tipo P) e un minoritario (elettroni nei materiali tipo P, lacune nei materiali tipo N)
        • a basse temperature,la concentrazione dei portatori maggioritari è approssimatamente uguale alla concentrazione delle impurità
        • la concentrazione dei portatori minoritari è determinata dalla legge di azione delle masse ed è di diversi ordini di grandezza inferiore alla concentrazione intrinseca
        • le proprietà elettriche dei materiali drogati sono determinate dai portatori maggioritari
        • aumentando la temperatura l'effetto del drogaggio tende a diminuire e il materiale tende ad assumere una configurazione di portatori equivalente a quella del materiale intrinseco
        • la temperatura a partire da cui l'effetto del drogaggio è annullato dipende dal materiale considerato e dalla densità delle impurità e, corrisponde alla temperatura a partire da cui la concentrazione intrinseca assume un valore comparabile a quello delle impurità
      • conduttività e temperatura
        • nei materiali estrinseci la conduttività è dominata dai portatori maggioritari ed è insensibile all'aumento della temperatura fino a quando la concentrazione intriseca raggiunge un valore comparabile con la concentrazione delle impurità
        • la temperatura a partire da cui la conduttività smette di essere controllata dalle impurità (zona estrinseca) e diventa proporzionale alla temperatura (zona intrinseca) varia col materiale e la densità di impurità
        • nei materiali fortemente estrinseci la conduttività, oltre che dalla concentrazione di impurità dipende dalla mobilità dei portatori maggioritari
• conduttività elettrica e temperatura
  • thermistor (termistore)
    • un thermistor è un componente elettronico la cui resistenza elettrica è fortemente dipendente dalla temperatura
    • la parola "thermistor" è una contrazione delle parole "thermal resistor"
    • si dividono principalmente in
      • NTP (negative Temperature Coefficient)
      • PTC (Positive Temperature Coefficient)
    • molte applicazioni basate sulla caratteristica resistenza-temperatura richiedono l'uso di network di resistenze per compensare l'aumento con la temperatura della resistenza di dispositivi e circuiti
• riflessione e rifrazione
  • l'indice di rifrazione di un materiale (n) è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel materiale in analisi
  • un onda luminosa che passa da un mezzo più denso ad uno meno denso (n₁ > n₂) viene in parte riflessa ed in parte rifratta
• fotoconduttività
  • effetto fotoelettrico
    • quando un semiconduttore è illuminato l'energia dei fotoni incidenti è assorbita dagli elettroni di valenza che passano ad uno stato energetico più elevato
      • E_ph = hv = hc / λ
    • quando l'energia assorbita è sufficente ad eccitare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, si crea una coppia "elettrone-lacuna" che contribuisce alla conduzione elettrica
    • condizione necessaria affinché questa transizione abbia luogo è che l'energia dei fotoni incidenti sia maggiore di Eg
  • fotogenerazione di portatori
    • l'assorbimento della luce crea delle coppie elettrone-lacuna
    • gli elettroni troppo energetici perdono parte della loro energia che viene ceduta come vibrazione del reticolo cristallino fino ad assumere un valore medio situato 3/2 kT sopra il limite inferiore della banda di conduzione
  • assorbimento della luce
    • Φ = Φ₀ exp[-α(E_ph)x]
    • quando assorbita da un semiconduttore la potenza luminosa decresce esponenzialmete con la distanza
    • il coefficiente di assorbimento (α) caratterizza la perdita di fotoni a mano a mano che luce si propaga nel semiconduttore
  • concentrazione degli elettroni e lacune fotogenerate
    • n_ph = τ_nG_ph
    • p_ph = τ_pG_ph
      • n_ph: concentrazione degli elettroni fotogenerati
      • p_ph: concentrazione delle lacune fotogenerate
      • τ_n: tempo di vita medio degli elettroni di conduzione
      • τ_p: tempo di vita medio delle lacune
      • G_ph: costante di generazione fotoelettrica
  • fotoconduttività
    • conduttività elettrica di un semiconduttore illuminato
    • σ = q(μ_n(n+n_ph) + μ_p(p+p_ph))
  • cellula foto-conduttiva
    • principi di funzionamento
      • i sensori fortoconduttivi hanno la semplice struttura metallo-semiconduttore-metallo
        • due elettrodi sono posti ai terminali di un semiconduttore cha ha i desiderati cefficiente di assorbimento ed efficienza quantica sulle lunghezze d'onda richieste
      • i fotoni incidenti sono assorbiti dal semiconduttore e vengono generate coppie elettrone-lacuna
        • il risultato è un aumento della conduttività elettrica e quindi un aumento della corrente elettrica, corrispondente alla fotocorrente (I_ph)
    • dispositivi
      • le cellule fotoconduttive sono dispositivi tipo "film sottile" costruiti depositando uno strato di materiale fotoconduttivo su di un substrato ceramico:
        • Cadmium Sulphide: CdS Eg=2.4 eV
        • Cadmium Selenium: CdSe Eg=1.7 eV
      • i contatti metallici vengono evaporati sulla superfice del semiconduttore e vengono stabilite delle connessioni elettriche esterne a tali contatti
      • questi film sottili hanno una elevata resistenza superficiale
• giunzioni
  • i dispositivi a semiconduttore sono costitutiti da giunzioni di differenti tipi
    • omogiunzione PN
      • con una interfaccia di transizione, in un semiconduttore, tra una regione tipo P ed una tipo N
    • eterogiunzione
      • un materiale semiconduttore viene depositato sopra un differente semiconduttore
      • dal momento che ogni materiale semiconduttore possiede una banda proibita caratteristica, si ottiene necessariamente nella regione di interfaccia una discontinuità nelle bande di valenza e di conduzione
    • metallo-semiconduttore
      • costituita dal contatto di un metallo con la superfice di un semiconduttore
      • tutti i dispositivi hanno bisogno di contatti elettrici
  • giunzione PN
    • è definita come una giunzione metallurgica tra due blocchi dello stesso semiconduttore contenenti rispettivamente impuritá accettori (tipo P) e donori (tipo N)
    • formazione
      • gli elettroni (lacune) prossime alla giunzione metallurgica diffondono attraverso la giunzione nella regione tipo P (tipo N)
      • questo processo lascia le impuritá donori (accettori) ionizzate creando una regione svuotata di cariche elettriche mobili
      • tale regione prende il nome di regione di svuotamento o di carica spaziale
      • il processo di diffusione continua fino a quando viene bilanciato da una corrente di deriva uguale e contraria, e viene quindi raggiunta una situazione di equilibrio
    • potenziale di contatto (V_bi)
      • in condizioni di equilibrio termodinamico (entrambe le correnti di elettroni e lacune sono nulle) tra i due semiconduttori si stabilisce una differenza di potenziale (potenziale di contatto) definito come:
        • V_bi = kT ln(n_n/n_p) = kT ln(p_p/p_n) ≈ kT ln((N_AN_D) / n_i²)
          • n_n: elettroni nello strato N
          • n_p: elettroni nello strato P
          • p_p: lacune nello strato N
          • p_n: lacune nello strato P
      • note
        • materiali con un maggiore E_g formano giunzioni con un maggiore potenziale di contatto
        • con l'aumento della temperatura i semiconduttori si approssimano alla zona intrinseca e il potenziale di contatto tende a diminuire
        • quanto maggiore è la densita di impurità utlizzata, maggiore è il potenziale di contatto e maggiore è la sua resistenza all'effetto temperatura
    • elettrostatica
      • la regione di transizione tra lo strato P e lo strato N, chiamata regione di svuotamento, è caratterizzata dalla presenza al suo interno di un forte campo elettrico E
      • tale campo si deve alla presenza di cariche elettriche fisse nela reticolo cristallino, originate dallo svuotamento delle cariche elettriche libere che, nel processo di formazione della giunzione, sono diffuse nello strato opposto
    • regione di svuotamento (W)
      • è possibile esprimere l'ampiezza della regione di svuotamento (W) in funzione delle densità di drogaggio e della temperatura
    • note
      • ad una asimmetria della densità di drogaggio nei due strati corrisponde una asimmetria della regione di svuotamento, e questa si estende maggiormente nello strato meno drogato
      • aumentando la temperatura il potenziale di contatto diminuisce, l'intensità del campo elettrico interno si riduce e l'estensione della regione di svuotamento diminusce
      • l'effetto della temperatura è di ridurre le proprietà di rettificazione della giunzione PN
      • aumentando il drogaggio l'intensità del campo elettrico interno aumenta e l'estensione della regione di svuotamento si riduce
      • le proprietà di rettificazione migliorano,cosí come la resistenza all'effetto della temperatura
  • caratteristica corrente-tensione (diodo)
    • polarizzazione diretta
      • la tensione applicata riduce il potenziale di contatto e quindi il campo elettrico interno che contrastava il fenomeno di diffusione
      • di conseguenza, le lacune dello strato P si diffondono attraverso la regione di svuotamento e raggiungonolo strato N
      • in forma equivalente gli elettroni dello strato N diffondono nello strato P
      • questo processo di diffusione risulta in una iniezione di portatori minoritari (lacune nello strato N ed elettroni nello strato P) che da luogo ad una corrente elettrica misurabile
    • polarizzazione inversa
      • quando un giunzione PN è polarizzata inversamente, la corrente risultante é molto bassa (quasi nulla)
      • le lacune nello strato P e gli elettroni nello strato N tendono ad allontanarsi dalla zona di svuotamento
      • la regione di svuotamento tende ad allargarsi
  • transistor
    • è formato da due giunzioni (NPN o PNP) ed ha tre terminali
      • E (emettitore)
      • B (base): è collegato alla regione centrale (P negli NPN ed N nei PNP)
      • C (colletore)
    • può essere utilizzato come amplificatore di segnali elettrici oppure in modalità switching (interrutore tra E e C pilotato da B)
• la giunzione PN illuminata
  • descrizione
    • un flusso di fotoni con energia superiore a E_g incide sulla superficie del dipositivo dando origine a nuove coppie elettrone-lacuna
    • i portatori di carica fotogenerati raggiungono la regione di svuotamento dove vengono accelerati dal campo elettrico della giunzione
    • si forma in questo modo nella giunzione una corrente di portatori minoritari, che viene detta fotocorrente (J_ph)
  • foto-diodo
    • è un dispositivo a semiconduttore che funziona come sensore di luce generando una corrente o una tensione quando illuminato
    • quando l'energia dei fotoni incidenti è minore di E_g, l'effetto fotovoltaico non ha luogo
    • dipendenza dal materiale
      • a temperatura ambiente Eg=1.12 eV per il silicio e Eg=1.8 eV per GaAsP, cosicchè le lunghezze d'onda limite sono, rispettivamente, 1100nm e 700nm
    • dipendenza dalla geometria
      • a lunghezze d'onda corte, il grado di assorbimento della luce da parte del dispositivo diventa piuttosto elevato, di conseguenza, più la giunzione PN rimane vicina alla superfice, migliore sarà la sensitività del dispositivo
      • la geometria del dispositivo deve essere progettata per ottenere la massima sensibilità alla lunghezza d'onda per cui il sensore viene utilizzato
    • output
      • la corrente di corto circuito (Isc) cresce linearmente con la potenza della luce incidente
      • il potenziale di circuito aperto (Voc) cresce logaritmicamente con la potenza della luce incidente e presenta una forte dipendenza dalla temperatura
  • fotodiodo PIN
    • per applicazioni nel campo dele comunicazioni ottiche o di controllo remoto (che richiedono una alta risposta in frequenza) il fotodiodo PIN fornisce una buona velocità di risposta e bassi valori della corrente inversa di saturazione (basso rumore)
    • viene utilizzato in condizioni di polarizzazione inversa per migliorare la linearità dell'output e la risposta in frequenza
  • fotodiodo Avalanche (APD)
    • un APD differisce da un fotodiodo standard nel fatto di produrre amplificazione interna del segnale di output introducendo un basso
• livello di rumore
  • nel campo delle comunicazioni ottiche i provider forniscono servizi basati su larghezze di banda sempre più elevate, prinicipalmente basate sull'aumento del numero di lunghezze d'onda trasmesse nella singola fibra ottica
    • sebbene il fotodiodo sia sempre stato il sensore più utilizzato (per ragioni economiche), quando la velocità di trasmissione aumenta oltre i 10 Ghz diventa difficile (costoso) amplificare il segnale con un amplificatore esterno senza introdurre un elevato livello di rumore
    • nonostante i costi di produzione più elevati il fotodiodo APD viene spesso utilizzato nelle comunicazioni ottiche a frequenze oltre i 10 Ghz
  • elettrostrutture SAM APD (Separate Absorption and Multiplication Avalanche PhotoDiode)
    • sono costituiti da numerose giunzioni e complesse geometrie
  • cellula solare
    • sfruttano l'effetto fotoelettrico per trasformare direttamente la radiazione solare in energia elettrica
    • modelli commerciali
      • cellule di silicio cristallino
        • dominano il mercato del fotovoltaico
        • per ridurre i costi di produzione sono costruite a base di silicio multicristallino piuttosto che con il più costoso (ed efficiente) mono-cristallino
        • la tecnologia delle cellule di silicio cristallino è ormai stabillizzata ed i modluli in commercio hanno lunga durata (20 anni) ed efficenza intorno al 18%
      • cellule di silicio amorfo
        • sono più economiche e meno efficienti
        • vengono utilizzate principalmente per applicazioni commerciali di basso consumo
        • moduli per uso domestico sono arrivati recentemente sul mercato
        • centrali di potenza sono state recentemente costruite negli USA
      • cellule di CdTe e CuInSe₂
        • apparse da poco sul mercato promettono un buon compromesso tra costi ed efficenza
      • cellule ad alta efficenza (GaAs, InP)
        • vengono utilizzate in applicazioni specializzate, ad esempio per fornire energia ai satelliti
        • sono composte da numerose eterogiunzioni
• foto-luminescenza
  • ricombinazione eletrone-lacuna
    • in condizioni di equilibrio termodinamico vale la legge di azione delle masse: np = n_i²
    • quando un elettrone (o una lacuna) viene foto-eccitato ad un più alto stato energetico, esistono tre differenti per cui può rilasciare l'energia assorbita e ritornare allo stato di equilibrio termodinamico:
      • luminescenza
        • ricombinazione radiativa: l'energia viene rilasciata in forma di fotoni
      • emissione di fononi
        • ricombinazione non radiativa: l'energia viene ceduta in forma di energia meccanica (vibrazione del reticolo cristallino)
      • ricombinazione di Auger
        • processo non radiativo: l'energia viene utilizzata per eccitare altre particelle a più alti strati enegetici
    • gap diretto ed indiretto
      • semiconduttori a gap diretto (GaAs)
        • il minimo della banda di conduzione è allineato sopra il massimo della banda di valenza
        • la ricombinazione tra elettrone e lacuna può avvenire direttamente e genera un fotone
      • semiconduttori a gap indiretto (Si)
        • il minimo della banda di conduzione è disallineato rispetto al massimo della banda di valenza
        • la ricombinazione tra elettrone e lacuna non può avvenire direttamente ma richiede un centro di ricombinazione (difetti del cristallo o impurità) e genera un fonone
        • l'emissione di un fotone può comunque avvenire attraverso opportuni drogaggi che permettono l'emissione di un fotone nel centro di ricombinazione
  • LED (Light Emitting Diode)
    • un LED è essenzialmente una giunzione PN di un semiconduttore a gap diretto dove la ricombinazione elettrone-lacuna risulta nell'emissione di un fotone
    • l'energia dei fotoni emessi è approssimativamente uguale a E_g
    • Planar Surface Emitting LED
      • lo strato p deve essere il più sottile possibile per evitare il riassorbimento dei fotoni emessi (ma abbastanza spesso da formare la giunzione PN)
      • lo strato n deve essre fortemente dopato per assicurare una elevata concentrazione di portatori iniettati nello strato p
    • riflessione interna
      • i fotoni incidenti sulla superfice esterna del LED con un angolo superiore a θ_c vengono riflessi e riassorbiti nel dispositivo
      • la superfice esterna può essere modellata in forma tale da ridurre l'angolo di incidenza
      • il LED viene ricoperto da un materiale plastico trasparente con un indice di rifrazione simile a quello del semiconduttore
    • eterostrutture
      • è possibile fare un led utilizzando anche più giunzioni eterogenee
      • una doppia giunzione tra semiconduttori con differente Eg:
        • AlGaAs (Eg=2 eV)
        • GaAs (Eg=1.4 eV)
      • ifotoni generati nello strato GaAs non vengono riassorbiti nello strato AlGaAs e vengono quindi emessi dal dispositivo
  • LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
    • emissione spontanea e stimolata
      • nel processo di emissione stimolata i fotoni emessi hanno identica energia, fase e direzione
    • radiazione coerente
      • oltre ad avere la stessa lunghezza d'onda, i fotoni emessi tramite il processo di emissione stimolata sono tutti in fase
      • nel caso ideale la luce emessa da un laser si comporta come una unica intensa onda luminosa
    • inversione della popolazione
      • gli elettroni con energia E1 vengono eccitati allo stato energetico E3
      • gli elettroni allo stato E3 decadono sponatanemente allo stato energetico E2
      • gli elettroni allo stato E2 permangono in equilibrio
      • gli elettroni allo stato E2 vengono stmilati dal passaggio di un fotone a decadere allo stato E1 con emissione di fotoni (emissione stimolata)
    • cavità ottiche risonanti
      • la zona attiva dove avviene l'emissione stimolata viene racchiusa tra due superfici riflettenti
      • la luce viene quindi riflessa avanti e indietro e ad ogni passaggio stimola l'emissione di nuovi fotoni
      • affinchè questo processo sia sostenibile le onde luminose devono rimanere in fase: Nλ = 2L
    • output
      • le lunghezza d'onda specifiche di output di un laser sono quelle permesse dalla cavità ottica risonante che cadono nell'intervallo di amplificazione per emissione stimolata
      • le onde luminose percorrono cammini differerenti nella cavità ottica risonanante, ciò si traduce in differenti modalità di emissione del fascio laser
    • diodo laser
      • una giunzione PN con materiali drogati e degenerati
      • una polarizzazione diretta sufficentemente elevata da causare un inversione di popolazione nella zona di interfaccia
      • possono essere di omogiunzione (GaAs) o eterogiunzione (struttura a doppio diodo)
    • protezione
      • dal momento che il diodo laser deve essere guidato tramite il passaggio di corrrenti di valore elevato e possiede inoltre un basso valore di resistenza interna, il rischio di danneggiare il dispositivo è piuttosto elevato e il suo funzionamento deve essere controllato e regolato
      • a tal fine i laser in commercio hanno un fotodiodo integrato che riceve una parte del output generato dal laser a scopo di auto-regolazione
    • sicurezza
      • i laser vengono classificati in diverse classi di sicurezza (1, 2, 3A, ...) che si differenziano a seconda della potenza e dei danni che possono arrecare all'uomo
• applicazioni
  • vantaggi dei sistemi di trasmissione ottici:
    • sistemi elettricamente isolati
    • esenti da interferenze elettromagnetiche
    • bassa perdita di potenza nella trasmissione
  • fibre ottiche
    • guida d'onda per le comunicazioni ottiche
    • è costituita da:
      • core
        • porzione centrale della fibra che trasmette la luce
        • è fatto di vetro o materiale plastico
        • l'onda luminosa incidente sulla interfaccia core-cladding con un angolo maggiore di θ_c viene completamente riflessa all'interno del core
        • nel caso ideale, l'informazione contenuta nell'onda luminosa viene trasportata dalla fibra ottica senza perdite
        • ha un diametro compreso tra 8 e 10 μm per le monomodali e circa 64μm per le multimodali
      • cladding
        • è fatto dello stesso materiale del core ma ha un indice di rifrazione più basso
        • ha un diametro compreso tra 125 e 150 μm
      • coating
        • materiale plastico di rivestimento della fibra
        • conferisce resistenza meccanica ed isolamento ottico
    • apertura numerica (NA)
      • NA = Sqrt[n²_core - n²_cladding] = sin θ
        • n è la densità del materiale
    • modi di trasmissione
      • quando la luce è guidata lungo una fibra ottica ad ogni riflessione corrisponde un leggero sfasamento
      • esiste un numero finito di percorsi lungo la fibra ottica che produce una sovrapposizione costruttiva della trasmissione
    • attenuazione della trasmissione
      • scattering
        • causato da piccole inomogeneità nell'indice di rifrazione del nucleo
      • assorbimento
        • causato da piccole impurità (pervalentemente acqua) nel materiale del nucleo
    • dispersione del segnale
      • dispersione cromatica
        • onde con lunghezza d'onda differente viaggiano nella fibra ottica con velocità differenti
        • le sorgenti di luce non sono mai completamente monocromatiche
        • l'indice di rifrazione varia con la lunghezza d'onda e così anche la velocità di trasmissione
        • le onde luminose arrivano al termine della fibra ottica in tempi differenti e quindi l'impulso iniziale si trasforma in un inpulso allargato
      • dispersione modale
        • differenti modi di trasmissione percorrono cammini differenti nella fibra ottica, quindi impegano tempi differenti per completare il percorso
    • fibre ottiche monomodali (single mode)
      • trasmettono un solo "modo"
      • si usano per comunicazioni di lunga distanza
      • il numero di modi che possono essere trasmessi da una fibra ottica dipende dal diametro del nucleo (a), dall'apertura numerica (NA) e dalla lunghezza d'onda trasmessa (λ)
        • questi parametri vengono utilizzati per definire il parametro "frequenza normalizzata":
          • V = (2πa / λ) NA
        • la condizione per cui solamente il modo principale sia ammesso è: V < V_cutoff = 2.405
    • fibre multimodali
      • graded index
        • differenti raggi percorrono cammini differenti nella fibra ottica a differenti velocità così che arrivino tutti allo stesso istante
        • si usano per comunicazioni di breve distanza (LAN)
      • step index
        • si usano per applicazioni mediche ed industrali
        • differenti raggi percorrono cammini differenti nella fibra ottica, quindi impegano tempi differenti per completare il percorso