Junção p-n
tipo – p
BC
tipo – n
BC
Ed
Ea
BV
BV
tipo – p
BC
tipo – n
BC
Ed
Ea
BV
BV
Difusão de elétrons para o lado p e de buracos para o lado n
Surgimento de um campo elétrico intrínseco
e
tipo – p
BC
tipo – n
Fluxo de e
-
BC
+
+
Fluxo de b
BV
BV
Região de
cargas fixas
Aumento do campo elétrico intrínseco
e
tipo – p
tipo – n
BC
BC
- - -
++
++
BV
BV
Região de
cargas fixas
e
tipo – p
tipo – n
BC
BC
Equilíbrio
- - -
++
++
BV
Difusão
X
Deriva
BV
Cargas
Cargas
negativas positivas
fixas
fixas
Região de
cargas fixas
e
tipo – p
tipo – n
BC
BC
- - -
++
++
BV
BV
Região neutra p
V(x)
Cargas
Cargas
negativas positivas
fixas
fixas
Região de depleção
Região neutra n
x
e
tipo – p
tipo – n
BC
eV0
EF
BV
Região neutra p
Região neutra n
Junção p-n com aplicação de
potencial
Portadores minoritários
BC
Portadores majoritários
Corrente de difusão: id *(possuem energia para
superar a barreira)
Corrente de arraste: ia *
eV0
Excitação térmica
BV
e
tipo – p
tipo – n
* Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!
Portadores minoritários
BC
Portadores majoritários
Corrente de difusão: id
Corrente de arraste: ia
eV0
Excitação térmica
BV
e
tipo – p
tipo – n
Corrente de arraste: barreira eV0 não influi
Corrente de difusão: barreira eV0 influi muito
Aumento da corrente de difusão
BC
Corrente de difusão: id
Corrente de arraste: ia
eV
Potencial diminui
BV
Corrente
medida
e
tipo – p
tipo – n
+
-
Polarização direta
Diminuição da região de depleção
e do campo elétrico intrinseco
Diminuição da corrente de difusão
BC
Corrente de difusão: id
Corrente de arraste: ia
eV
Potencial aumenta
BV
Corrente
medida
e
tipo – p
tipo – n
-
+
Polarização reversa
Aumento da região de depleção e
do campo elétrico intrinseco
Curva característica de um diodo
i
Polarização
direta
Polarização
reversa
V
Região ativa de um
dispositivo: onde
geralmente estão as
nanoestruturas
BC
eV
BV
Corrente
medida
e
tipo – p
tipo – n
-
+
Polarização reversa
Device Applications
Quantum dots were expected to lead to devices with
better performance.
In some cases this is already a reality.
• Quantum dot lasers
•LEDs
• QDIPs
Quantum dot lasers
• Calculations predicted better performance as a
consequence of the modified (delta-like) density of states.
• Assumptions: dots with only one confined electron and
hole state, no external states to the dots, all dots of one
size.
Longer relaxation time leads to a better temperature stability
Arakawa et al 82
Ledentsov et al 2000
Quantum dot lasers
Weisbuch 1991
Quantum dot lasers
Highlight: QD lasers operating at 1.3 mm on GaAs substrates.
Two approaches: a) low growth rates → large and uniform dots
but with low density, which implies in low
19 A cm-2
gain.
Park et al 2000
b) D-well structures → growth of InAs dots on
17 A cm-2
InGaAs reduces the energy and increases the
(300 K)
density.
Sellers et al 2004
Future challenge reach 1.55 mm:
a) introduction of N to lower the gap.
b) move to InP substrates (smaller mismatch).
Quantum dot laser
5 times
LEDs
Leds
GaN
Safira
Quantum Dot (Mid-) Infrared Photodetector (QDIP)
Applications of QDIPs
for the 2-20 mm range:
Telecommunication
Detection of toxic gases
Night vision
Imaging
Environment Monitoring
Medicine
E = hc/l = 1.24 /l (mm.eV)
l (mm)
100.0
10.0
0.0124 0.124
400 nm
700 nm
Espectro Eletromagnético
1.0
0.1
0.01
1.24
12.4
124
E (eV)
Detecção Infravermelha
Lei de Wien
lp T = 2898 mm.K
300 K
≈ 10 mm
Turbina:
700 K
≈ 4 mm
Contramedida:
2000 K
≈ 1 mm
Faixas do Infravermelho
SWIR
MWIR
LWIR
Imageamento infravermelho:
segurança industrial
Telecomunicações – Free space
Janela óptica em 10 mm
Taxa de erro menor que em outras janelas espectrais
Controle de vazamento de gases
Emissor
Receptor
Equipamento industrial
Vazamento
Interrupção do sinal
Tecnologias para detecção
no infravermelho
1) Bolômetros:
variação da resistência
com a temperatura.
Características:
•
•
•
•
•
Baixa sensibilidade
Resposta lenta
Baratos
Operam a 300K
Pouca seletividade espectral
Tecnologias para detecção
no infravermelho
2) MCT : absorção óptica banda-banda
HgxCd1-xTe
BC
Características:
BV
•
•
•
Baixa homogeneidade
Lentos
Pouco resistentes mecanicamente
Tecnologias para detecção
no infravermelho
3) Família III-V: absorção óptica banda-banda
Materiais: InGaAs, InSb etc
Vantagem:
BC
Tecnologia mais desenvolvida
Desvantagem:
Não é possível atingir comprimentos
de onda acima de 6 mm
BV
Tecnologias para detecção
no infravermelho
3) QWIPs (quantum well infrared photodetectors):
absorção óptica intrabanda.
BC
hn
Vantagem:
Absorção mais seletiva
Desvantagem:
Não acopla radiação
com incidência normal
BV
E2 – E1
Seletividade dos QWIPs
Limites teóricos
1011
1010
109
Tecnologias para detecção
no infravermelho
4) QDIP (quantum dot
infrared photodetectors):
absorção óptica intrabanda
Vantagens:
• acopla radiação com incidência
normal
• corrente de escuro inferior
Desvantagens:
• homogeneidade
• reprodutibilidade
• densidade de pontos quânticos
Estruturas D-Well
QW QD
InP
200 Å
InAs
InGaAs
85 Å
BC
124 meV
InGaAs
InP
Posição
QD
QW
Crescimento
Energia
InP
200 Å
Processamento de
dispositivos
Caracterização de QWIPs
60
50
40
Caracterização dos
dispositivos QDIPs
25
20
20
5K 30mV
5K 5mV
5K -5mV
5K
photocurrent (arb. u.)
Photocurrent (arb. u.)
sample 996
20 K
15
40 K
60 K
10
80 K
5
100 K
15
sample 990
10
5
120 K
0
5
10
15
0
wavelength (µm)
0
5
10
15
20
25
wavelength (µm)
90
Photocurrent (arb. u.)
70
60
50
5K
40
20 K
40 K
30
60 K
20
80 K
100 K
10
780
normal incidence
Photocurrent intensity (arb. u.)
sample 997
80
45° unpolarized
45° s-polarization
120 K
0
45° p-polarization
0
5
10
15
wavelength (mm)
20
25
3
4
5
6
wavelength (µm)
7
8
Pontos quânticos para
transistor de um único
elétron e para emissão de
fótons um a um
Transistor de elétron único
GaAs/AlGaAs
H.W. Schumacher
(1999)
Hannover,Germany
100 x 200 nm2
Baseia-se no efeito de tunelamento quântico
Lembrando o funcionamento
do MOSFET
metal
isolante
EF
EFs
semicondutor
EF
EF
EFs
EFs
Camada de inversão
Canal de condução é induzido
Using lateral confinement
induced by an electric field
Single Dot Devices
Single photon emitters for cryptography:
Guimaraes 2005
• Emission wavelengths of In(Ga)As dots
match the transmission wavelengths of
optical fibers.
• Electrical trigger is possible with a pin
structure.
• Radiative lifetime of 1 ns allows for data
transmission rates between 10 and 100 MHz.
• Dots can be incorporated into microresonators for high efficiency photon
extraction.
Quantum information processing
•
•
•
•
Uses two states of the quantum dots.
Long coherence times.
Ultrafast optical addressing.
Compatibility with standard electronics.
Bibliografia
•
•
•
•
•
Materiais e Dispositivos Eletrônicos, Sérgio Rezende, Editora Livraria da Física,
Segunda edição, Capítulos 6 a 8.
Quantum dot heterostructure laser, Ledentsov, N.N.; Grundmann, M.; Heinrichsdorff,
F.; Bimberg, D.; Ustinov, V.M.; Zhukov, A.E.; Maximov, M.V.; Alferov, Zh.I.; Lott, J.A.;
Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of
Volume 6, Issue 3, May-June 2000 Page(s):439 - 451
New physics and devices based on self-assembled semiconductor quantum dots. D.
J. Mowbray and M. S. Skolnick, Journal of Physics D:Applied Physics 38, 2059
(2005).
Quantum Dots and Nanowires Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition for
Optoelectronic Device Applications, H. H. Tan, K. Sears, S. Mokkapati, L. Fu, Yong
Kim, P. McGowan, M. Buda and C. Jagadashi, IEEE Journal of Selected Topics in
Quantum Electronics 12 (6), 1242 (2006).
Semiconductor Quantum Dot Nanostructures: Their Application in a New Class of
Infrared Photodetectors, E. Towe e D. Pan, IEEE Journal of Selected Topics in
Quantum Electronics 6 (3), 1242 (2000).
Outros artigos disponíveis no site.