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Dispositivi a semiconduttore 1

Elettroluminescenza : emissione radiativa incoerente prodotta dal passaggio di corrente: LED

Line broadening LED: 10-20 nm

LED LD (laser diode)

Incoherent emission•Line broadening 10-20 nm•Divergent emission

Coherent emission•Line broadening ≈ 1 Å•Small divergence

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Emissione radiativa

KT

I(E)≈ E −Eg( )exp −E

kBT⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

EMAX =Eg +kBT2

FWHM ≈kBT

Tuning in temperatura:Shift Gap + Thermal energy

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Elettroluminescenza

Iniezione portatori minoritari alla giunzioneRicombinazione radiativa alla giunzione

Materiali a gap diretta, ma anche indiretta (GaP) con trappole

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Importante applicazione LED oltre illuminatori:

Isolatori optoelettronici

Sig in Sig out

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Efficienza interna: in= n.fotoni emessi internamente/ n. portatori alla giunzione

in =τ nr

τ r + τ nr=

RradRrad + Rnr

Lato_ p

Rrad = Anp ≈ AΔnNA

Bassa_ iniezione

τ r =Δn

Rrad=1

ANA

Efficienza esterna:

ext= n.fotoni out/ n. portatori alla giunzione

ext= inx op

op=eff. Ottica

Angolo critico≈16-17 gradi

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Pattern di emissione Lambertiano LED

I(Φ) =Ps

4πr2

next2

nint2 cosΦ

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Surface emitter Edge emitter

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LaserI laser ( Rubino) : 1960

I laser a semiconduttore: 1962, GaAs, GaAsP

Alferov e Kroemer: Premio Nobel 2000

for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and optoelectronics

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LD: laser diode

•Omogiunzione p-n

•Eterostruttura

•Contatti estesi

•Cavità Fabry-Perot : clivaggio

•Specchi dielettrici DBR: Dielectric Bragg Reflector

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Principali differenze fra un laser a SC e laser “tradizionali”

•Transizioni fra bande

•Compattezza

•Bassa soglia

•Caratteristiche spettrali e spaziali dipendenti dalle proprietà giunzione ( Eg, indice rifrazione)

•Pompaggio elettrico con facile modulazione anche in alta frequenza ( fmax ≈ 1/r): punto cruciale per trasmissione ottica di segnali

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Assorbimento ed emissione spontanea e stimolata

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Azione della cavità

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Azione della cavità

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Elettroluminescenza e azione laser

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Tipi di laser

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Inversione di popolazione

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Quasi Fermi-levels

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Come si ottiene l’inversione di popolazione?

Drogaggio elevato: degenerazione

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Omogiunzione

Regione di inversione

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Dipendenza dalla temperatura

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Corrente di soglia

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Per ridurre Ith verso strutture a confinamento

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Confinamento portatori, ma anche fotoni