Optoeletrônica - fotodetectores e
fotoemissores
Germano Maioli Penello
Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJ
Faculdade de Engenharia - FEN
Departamento de Eletrônica e Telecomunicações - DETEL
Optoeletrônica
Junção de duas áreas do conhecimento
Óptica + eletrônica
Área extremamente
multidisciplinar!
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93ptica_geom%C3%A9trica
http://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Side_of_the_Moon
http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica
http://en.wikipedia.org/wiki/Very-large-scale_integration 2
Optoeletrônica
Junção de duas áreas do conhecimento
Óptica + eletrônica
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93ptica_geom%C3%A9trica
http://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Side_of_the_Moon
http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica
http://en.wikipedia.org/wiki/Very-large-scale_integration 3
Como juntar as duas áreas do
conhecimento?
Qual fenômeno da natureza existe a interação entre a luz e o elétron?
Início da mecânica quântica.
•Radiação de corpo negro
Por que o ferro brilha quando aquecido?
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Como juntar as duas áreas do
conhecimento?
Qual fenômeno da natureza existe a interação entre a luz e o elétron?
Início da mecânica quântica.
•Radiação de corpo negro
•Absorção e emissão de um átomo
Raias de emissão
Raias de absorção
Por que as cores das lâmpadas
são diferentes?
Lâmpada de sódio Lâmpada de mercúrio
http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury-vapor_lamp
http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-vapor_lamp
http://en.wikipedia.org/wiki/Spectral_line
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Como juntar as duas áreas do
conhecimento?
Qual fenômeno da natureza existe a interação entre a luz e o elétron?
Início da mecânica quântica.
•Radiação de corpo negro
•Absorção e emissão de um átomo
•Efeito fotoelétrico
Por que os elétrons são ejetados
quando jogamos luz?
http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect
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Optoeletrônica
Aproveitar o fenômeno de interação da luz com a matéria para criar dispositivos
•Radiação de corpo negro
•Absorção e emissão de um átomo
Raias de emissão
•Efeito fotoelétrico
Raias de absorção
Para poder criar novos dispositivos, precisamos primeiramente entender o que
está acontecendo nestes fenômenos!
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Absorção e emissão de luz
Raias de emissão
Raias de absorção
Como explicar que um átomo emite e absorve luz? E que diferentes
átomos tem espectros distintos?
E
n=3
n=2
n=1
Modelo de Bohr para o átomo
http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
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Absorção e emissão de luz
Raias de emissão
Raias de absorção
O confinamento eletrônico é importante para que exista níveis de energia
discretos! E são os níveis de energia discretos que explicam as raias.
E
n=3
n=2
n=1
Modelo de Bohr para o átomo
http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
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Absorção e emissão de luz
Raias de emissão
E
Raias de absorção
E
n=3
n=3
n=2
n=2
n=1
n=1
Emissão e absorção de luz depende da diferença de energia entre os níveis
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Absorção e emissão de luz
Raias de emissão
Raias de absorção
O modelo de Bohr é ultrapassado! Ajuda a compreender o fenômeno, mas tem
limitações.
Modelo de Bohr para o átomo
http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
Schroedinger
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_atom 11
Átomos vs. cristais
Até o momento só falamos de átomos e os níveis de energia! Para criar um
dispositivo, utilizamos um conjunto grande de átomos na forma de um cristal.
Região
proibida
Região
proibida
Arranjo cristalino do Silício
Bandas de energia
Ao agrupar os átomos na forma de um cristal, observamos novas propriedades
para o elétron.
Qual a diferença entre um condutor, um isolante e um semicondutor?
http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon
http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M05_C02/co/Contenu.html 12
Átomos vs. cristais
E
Cristais semicondutores
Átomos
n=3
Região
proibida
Região
proibida
Região
proibida
n=2
n=1
Níveis de energia
Bandas de energia
Emissão e absorção de luz depende da diferença de energia entre os estados
http://www.infoescola.com/quimica/atomo/
http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon
http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M05_C02/co/Contenu.html 13
Átomos vs. cristais
Não temos controle sobre as propriedades de um átomo mas
temos controle sobre as propriedades de um cristal!
Podemos controlar os elementos que formam o cristal, o tamanho do
cristal, a concentração de portadores, …
É esse controle que nos permite criar dispositivos com propriedades nunca antes vistas!
http://www.infoescola.com/quimica/atomo/
http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon
http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M05_C02/co/Contenu.html 14
Dispositivos optoeletrônicos
Com o entendimento dos fenômenos naturais, podemos criar dispositivos com
propriedades inéditas controlando as propriedades da luz e do elétron
simultaneamente.
LEDs
Lasers
CCD ou CMOS
Os dispositivos se dividem em dois grupos: emissores e detectores
http://en.wikipedia.org/wiki/Laser
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
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Fotoemissores
Diodo emissor de luz (LED)
Junção pn (polarização direta)
E
n=3
n=2
n=1
Átomo
Cristal semicondutor
Note a similaridade entre a emissão do átomo e a do cristal
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
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LED
Junção pn (polarização direta)
A cor do LED depende do cristal utilizado na sua fabricação
Infravermelho e vermelho – AlGaAs
Verde – GaP
Azul – InGaN
Cada cristal tem uma estrutura de banda diferente e, consequentemente,
emite uma cor diferente. Lembre-se do exemplo de átomos!
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Propriedades da luz emitida por um laser que não são obtidas num LED:
Coerência espacial (colimação), coerência temporal (monocromaticidade)
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
E
E
Emissão espontânea
LED
Emissão estimulada
LASER
O fenômeno de emissão estimulada é utilizado para a construção de um laser
Propriedades da luz emitida por um laser que não são obtidas num LED:
Coerência espacial (colimação), coerência temporal (monocromaticidade)
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Construindo um laser:
Cristal
Espelho
totalmente
refletor
Espelho
parcialmente
refletor
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Construindo um laser:
Cristal
E
Espelho
totalmente
refletor
Espelho
parcialmente
refletor
Emissão espontânea
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Construindo um laser:
Cristal
Luz emitida pelo laser
Meio de ganho
E
Espelho
totalmente
refletor
Espelho
parcialmente
refletor
n=1
Emissão estimulada
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Construindo um laser:
Cristal
Luz emitida pelo laser
Meio de ganho
E
Espelho
totalmente
refletor
Espelho
parcialmente
refletor
n=1
Emissão estimulada
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LASER
Amplificação de luz por emissão estimulada da radiação
Construindo um laser:
Cristal
Luz emitida pelo laser
Meio de ganho
Espelho
totalmente
refletor
Espelho
parcialmente
refletor
Quando o sistema entra em um equilibrio dinâmico de perdas e ganhos, o
laser entra em uma operação de emissão de luz constante.
Como explicar o laser pointer verde?
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LED vs. LASER
Largura espectral
O LED pode ser considerado monocromático para algumas aplicações, mas o
LASER é extremamente monocromático ao ser comparado com o LED.
http://www.thefoa.org/tech/ref/appln/transceiver.html
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Fotodetectores
Câmeras fotográficas
Sensor de proximidade
Célula fotovoltaica (solar)
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Fotodetectores
Junção pn (polarização reversa)
E
n=3
n=2
n=1
Átomo
Cristal semicondutor
Note a similaridade entre a absorção do átomo e a do cristal
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Fotodiodos
Junção pn (polarização reversa)
Como alterar a “cor” (comprimento de onda) a ser detectada?
O Si absorve no espectro visível! Um dos
motivos de termos camêras fotográficas
digitais cada vez mais baratas.
Responsividade do Si
http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode
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Infravermelho
Até o momento, discutimos a emissão e detecção. Apenas frisamos
utilizações na região de radiação visível do espectro eletromagnético
Espectro IR - comprimento de onda entre 700 nm e 1mm
http://www2.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html
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Infravermelho
Pra que utilizar detectores e emissores em um espectro que não é visível?
Controle remoto
Imagens térmicas
Detecção de gases
Galaxia de andrômedra
(imagem feita em l = 24mm)
http://en.wikipedia.org/wiki/Remote_control
Indústria
Segurança
Medicina
Prevenção de falhas
http://rebar.ecn.purdue.edu/ect/links/technologies/other/infraredgassensor.aspx
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Infravermelho
Espectro IR - comprimento de onda entre 700 nm e 1mm
Não era pra ser invisível?
Controle remoto – comprimento de onda típico é de 940 nm
O Si não pode mais ser utilizado
para a absorção no IR (acima
de 1000 nm)
Responsividade do Si
http://en.wikipedia.org/wiki/Remote_control
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Infravermelho
Como o Si não detecta acima de 1000 nm, utilizamos outros materiais
semicondutores
InGaAs, InAlAs, InP, …
Criamos heteroestruturas que nos permite um controle ainda maior dos
estados eletrônicos
Homoestrutura
Apenas um material é utilizado
Apenas um gap de energia
Heteroestrutura
Mais de um material é utilizado
Mais de um gap de energia
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Fotodetector de poços quânticos
E
Dois materiais
semicondutores com
diferentes gaps.
Banda de condução
E2
Absorção
intrabanda
E1
Absorção
interbanda
H1
H2
Absorção
intrabanda
Banda de valência
Confinamento eletrônico em
um poço de potencial.
Controlando a espessura
dos materiais, sintonizamos
as transições ópticas.
z
Heteroestrutura do tipo I
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Fotodetector de infravermelho de
poços quânticos (QWIP)
E
Banda de condução
E2
E1
Absorção
intrabanda
Absorção
interbanda
H1
H2
Absorção
intrabanda
Faixa de absorção no
infravermelho médio
3~6 mm
400~200 meV.
•Poços de InGaAs
•Barreiras de InAlAs
Banda de valência
z
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Fotodetector de infravermelho de
poços quânticos (QWIP)
E
Banda de condução
E2
E1
Absorção
intrabanda
z
Note como estes níveis de energia são
similares aos de um átomo!
Faixa de absorção no
infravermelho médio
3~6 mm
400~200 meV.
•Poços de InGaAs
•Barreiras de InAlAs
Aumento do confinamento eletrônico  níveis discretos  seletividade
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Inovações tecnológicas
5 cm
3 mm
2 cm
•Fotodetectores de poços quânticos
•Fotodetectores de pontos quânticos
•Fotodetectores de cascata quântica
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Inovações tecnológicas
Non linear intracavity QCL (3.2 µm / 6.4 µm)
Laser de cascata quântica
Acoplamento de diversos poços quânticos para controlar os estados eletrônicos.
Engenharia de bandas
LASERs super compactos com alta potência que emitem no infravermelho!
http://qcllab.princeton.edu/
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Inovações tecnológicas
Câmera auto alimentável – publicada por um grupo da universidade
de Columbia no mês passado
30 x 40 pixels
Os sensores da câmera funcionam como
células solares e detectores
intercaladamente!
http://engineering.columbia.edu/columbia-engineer-invents-video-camera-runs-without-battery
http://www.cs.columbia.edu/CAVE/projects/self_powered_camera/
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Resumo
Optoeletrônica
Óptica + eletrônica
Envolve duas grandes áreas do conhecimento:
• Eletromagnetismo
(Equações de Maxwell, propagação, geração, modulação e detecção da luz)
• Mecânica quântica
(Estrutura de bandas dos semicondutores, junções pn, heteroestruturas,
confinamento eletrônico)
O entendimento dos fenômenos da natureza nos permite criar
dispositivos inéditos e aprimorar a tecnologia atual!
Área extremamente multidisciplinar!
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