Dispositivos fotó nicos
Tema 8
Índice 1.
Introducción .................................................................................................................................................1
2.
Mecanismos de emisión y absorción de fotones .........................................................................................2
2.1.
Recombinación de pares e-h (mecanismo de emisión de fotones) .........................................................3
2.2.
Generación óptica de pares e-h (mecanismo de absorción de fotones) .................................................3
3.
El diodo emisor de luz (LED) .........................................................................................................................5
4.
Resistencia dependiente de la luz (LDR).......................................................................................................7
5.
El fotodiodo PIN............................................................................................................................................9
6.
El fotodiodo de avalancha APD ..................................................................................................................11
7.
El fototransistor ..........................................................................................................................................11
8.
La fibra óptica .............................................................................................................................................11
1. Introducción Se entiende por dispositivo fotónico aquel dispositivo electrónico basado en un semiconductor, capaz de emitir, recibir o transmitir señales luminosas. Entre estos están algunos de los más comúnmente usado en la actualidad como son los diodos LED. En el sector de la Telecomunicación, la fotónica resulta ser una tecnología muy usada y es el pilar fundamental de las “comunicaciones ópticas”. En primer lugar, se estudiarán los principios físicos básicos que sustentan los fenómenos de emisión y absorción de luz por parte de los dispositivos fotónicos. Posteriormente se analizarán varios de estos dispositivos, fundamentalmente el LED (diodo emisor de luz), que es el dispositivo emisor más simple y más usado en la actualidad, y el diodo PIN, que con su particular estructura es capaz de detectar señales luminosas y convertir la potencia óptica en potencia eléctrica. Finalmente, se hará un breve repaso de la fibra óptica, que es el medio transmisor más usado en comunicaciones ópticas. En la actualidad existen otros dispositivos, que siendo igual de importantes, no se estudiarán con tanta profundidad ya que su funcionamiento es bastante más complicado, tales como el láser, diodos APD, y otros.
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT) Al finalizar este capítulo, el alumno debe ser capaz de: -
Conocer los principios físicos que intervienen en la emisión y absorción de fotones.
-
Conocer la estructura, propiedades y modelos eléctricos de los dispositivos fotónicos básicos.
-
Utilizar los modelos anteriores y las hojas de catálogo para resolver problemas sencillos donde intervengan dispositivos fotónicos básicos.
-
Analizar un circuito compuesto por componentes eléctricos elementales tales como fuentes, resistencias, dispositivos electrónicos y fotónicos.
-
Identificar y analizar los circuitos de aplicación básica de un dispositivo fotónico básico.
2. Mecanismos de emisión y absorción de fotones En la Figura 1 se muestran diferentes semiconductores ordenados según la energía de su banda prohibida Eg. Un fotón con la energía correspondiente a la Eg del silicio (Si) tendría 1,1 eV, mientras que otro con la Eg del sulfuro de cadmio (CdS) tendría 2,42 eV. InSb
Ge
0
Si
AsGa
1 7
5 3 2
GaP
CdS
SiC
2
ZnS
3
1
0.5
4 0.35
Eg (eV) m)
Figura 1. Espectro de radiación electromagnética La longitud de onda de una radiación está relacionada con la energía de sus fotones a través de la ecuación (1), siendo h la constante de Planck (4,14 · 10-15 eV·s), c la velocidad de la luz en el vacío (3 · 108 m·s-1), la frecuencia de la radiación, y su longitud de onda.
ó
ó
·
=ℎ·
=
ℎ·
= ℎ · = 1,24 eV · μm
(1)
(2)
El producto de la longitud de onda de una radiación por la energía de sus fotones es una constante de valor 1,24 eV·µm, de lo que se deduce que cuanto más energéticos sean los fotones, más pequeña será la longitud de onda de la radiación. En la Figura 1 se muestra un eje, con las longitudes de onda correspondientes a la radiación que tendrían los fotones con la energía Eg de los semiconductores representados. Se observa que, mientras que el eje de energías crece hacia la derecha, el de longitudes de onda lo hace hacia la izquierda. El rango de longitudes de onda más interesante desde el punto de vista de las comunicaciones ópticas es el comprendido desde los 600 nm hasta los 1550 nm aproximadamente, es decir, la zona visible e infrarroja.
2
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
2.1. Recombinación de pares e-h (mecanismo de emisión de fotones) En capítulos anteriores se ha comentado la existencia de diferentes mecanismos de recombinación de pares electrón-hueco, pudiéndose agrupar en dos: Recombinación entre Bandas y Recombinación por Centros de Captura. Otra clasificación puede hacerse atendiendo a la posibilidad de emisión de fotones, diferenciando entre Recombinaciones Radiativas y No Radiativas. Las primeras ceden la energía sobrante en forma de fotón de luz y las segundas en forma de calor.
Q
hf
tipo 1
Q
Q
tipo 2
tipo 3
tipo 4
Figura 2. Varios ejemplos de mecanismos de recombinación de pares e-h. En la Figura 2 aparecen reflejadas algunas de las múltiples formas de recombinación existentes. Como se puede observar, la mayoría supone un intercambio energético en forma de calor con la red. En todos los semiconductores se producen los diferentes tipos de recombinación señalados. De las cuatro mostradas, solo la primera genera un fotón de luz (radiativa), siendo las dos siguientes las principales competidoras. En todo semiconductor coexisten dos tipos de procesos de recombinación; aquellos que se dan entre bandas del semiconductor y son ópticamente activos (procesos radiativos), y aquellos que suceden por medio de centros de captura y con cesión de la energía calorífica a la red cristalina (procesos no radiativos). Aquellos semconductores en los que los procesos de recombinación radiativa dominan sobre los no radiativas se llaman “de transición directa” y emitirán luz. La cantidad de fotones emitidos (es decir, la intensidad de la luz emitida) será proporcional a la tasa de recombinación de portadores (r), y ésta lo será al producto de las concentraciones de electrones y huecos (r = r ·n·p).
2.2. Generación óptica de pares e-h (mecanismo de absorción de fotones) El mecanismo de generación de pares electrones-huecos es el inverso al representado en la Figura 2 como recombinación radiativa (tipo 1). Una radiación de longitud de onda incidente en un semiconductor, de energía banda prohibida Eg, inyectará fotones de energía E = h. Si esta última energía es mayor que la del semiconductor Eg, los fotones podrán ser absorbidos por los electrones de la banda de valencia, pasando éste a la banda de conducción y dejando un enlace libre. El resultado de la absorción del fotón es la aparición de un par electrón-hueco (Figura 3). 3
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
hf
Eg
Figura 3. Mecanismo de generación óptica de pares e-h. Supóngase un semiconductor sobre el cual incide luz de una frecuencia f (h > Eg) por una de sus caras (Figura 4). Llamando P0 a la potencia total incidente sobre la superficie, se tendrá que una fracción de ésta, R·P0, será reflejada por la superficie, donde R es el coeficiente de reflexión de la interfase aire-semiconductor. Por tanto, se tiene que solo la cantidad (1-R)·P0 penetrará en el interior del volumen. A medida que los fotones de energía h > Eg vayan penetrando en el semiconductor irán siendo absorbidos por los átomos del material. P0 P0(1-R)
P0(1-R) e-x x=0
x
h
Figura 4. Distribución de fotones en el interior del semiconductor. La Figura 4 muestra la concentración de fotones en el volumen del semiconductor. Se puede observar como la caída es exponencial, con una longitud característica ( -1) que da idea del orden de magnitud de la distancia recorrida por los fotones antes de desaparecer por absorción. Al índice se le denomina coeficiente de absorción y en general su valor depende del material y la longitud de onda de la radiación. En la Figura 5 se muestran los coeficientes de distintos materiales semiconductores en función de la longitud de onda. Este coeficiente disminuye al aumentar la longitud de onda de la radiación, ya que al disminuir la energía de los fotones, la probabilidad de que estos sean absorbidos va disminuyendo. Al mismo tiempo, se muestra como la disminución del coeficiente conlleva un aumento en la profundidad de penetración de la radiación.
4
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
-1
5
10
10
4
Ge
1
1
10
3
Si
10
10
2
2
10
10
3
10
Coeficiente de absorción (cm-1 )
m) Profundidad de penetración
In0.53 Ga 0.47 As
AsGa
10 0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Longitud de onda m)
Figura 5. Coeficiente de absorción para diferentes semiconductores.
3. El diodo emisor de luz (LED) Un LED es un diodo de unión pn fabricado con un semiconductor de transición directa, con energía Eg, que emiten una radiación con una longitud de onda dada por la ecuación (2). Tanto su símbolo como su aspecto real son es el representados en la Figura 6.
a)
b)
Figura 6: Símbolo eléctrico y apariencia real de un diodo LED. La longitud de onda (color) de la radiación depende del material utilizado para fabricar la unión. La mayoría de los dispositivos utilizados son compuestos ternarios o cuaternarios formados por semiconductores de los grupos III y V de la tabla periódica. Por ejemplo, si se quiere trabajar en el rango de longitudes de onda comprendido entre 650 nm y 880 nm se elige el compuesto ternario Alx Ga1-x As, donde x representa el tanto por uno de átomos de Ga sustituido por átomos de Al. Variando x entre 0 y 0.45 se obtiene una variación continua en la energía de la banda prohibida del material, manteniéndose éste como semiconductor directo. Para emitir en el rango que va desde los 1.000 nm hasta los 1700 nm se recurre al In1-x Gax Asy P1-y, donde x e y representan los tantos por uno de átomos de In y P sustituidos por átomos de Ga y As, respectivamente. En la Figura 7 se muestran los perfiles de portadores a ambos lados de la zona de carga espacial, en los casos de a) polarización inversa, b) equilibrio térmico y c) polarización directa. 5
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
pp0 pp
nn0 nn
pp0
np0 np
pn0 pn
np0 x
pp
nn0
nn
pp0
nn0 np
pn0 x
np0
pn pn0 x
Figura 7. Concentración de portadores en polarización inversa, equilibrio térmico y polarización directa. Como se puede observar, la concentración de huecos y electrones en las zonas difusivas es mayor en el caso de polarización directa que en las otras dos situaciones. Como consecuencia, los mecanismos de recombinación serán más importantes en el caso de que el diodo esté polarizado directamente. La corriente eléctrica inyectada en el diodo en polarización directa será la responsable de mantener esos perfiles de portadores en las zonas difusivas y, por tanto, la tasa de recombinación de pares electrones-hueco. Cuanto más fuerte sea la polarización directa mayor será la corriente, y más alta la tasa de recombinación. Si el semiconductor es de transición directa, la mayor parte de las recombinaciones serán radiativas, y emitirán un fotón de frecuencia = Eg /h. En resumen, el diodo LED emitirá fotones de frecuencia = Eg /h, y por tanto iluminará con una radiación de longitud de onda = 1,24/Eg, cuando es polarizado directamente. La cantidad de luz producida será, inicialmente, proporcional a la cantidad de corriente eléctrica que atraviesa el dispositivo, produciéndose la saturación en la luminosidad generada a corrientes más elevadas. Entre las características eléctricas del diodo LED están, además de los del diodo rectificador, los siguientes: -
Relación entre la potencia luminosa radiante y la corriente inyectada. Será una curva aproximadamente lineal con una zona de saturación y un umbral de corriente mínima. En la Figura 8 se muestra la característica de un led comercial, donde se observa cómo la saturación aparece cuando se le inyecta una corriente de 60 mA en modo DC, mientras que la relación sigue siendo lineal cuando el funcionamiento es pulsado. La intensidad de radiación emitida aparece medida en mW por esteroradian.
-
Características espectrales. Muestra sobre que rango de longitudes de onda emite luz el dispositivo. Es de interés la longitud de onda donde la densidad espectral de potencia es máxima (p) y el intervalo espectral de emisión (), definido como el rango donde la potencia radiante cae un 50% respecto al máximo. En la característica de la Figura 9 la potencia máxima se emite a una longitud de onda de 880 nm, con un intervalo espectral que va desde los 840 a los 920 nm, por lo que prácticamente toda la radiación emitida cae dentro del infrarrojo.
-
Distribución espacial de potencia luminosa. Los LED se clasifican en dos grandes grupos: los de emisión superficial (SLED), y los de emisión lateral (ELED). En los primeros la distribución espacial de la intensidad luminosa es perpendicular a la base cilíndrica que los caracteriza mientras que la región activa rectangular de los segundos proporciona una emisión lateral. El patrón espacial de radiación da una idea de cómo se distribuye la luz en el espacio. En la Figura 10 se muestra un patrón espacial muy direccional, correspondiente a un campo visual de 20o y con un máximo en el centro.
6
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
Figura 9: Distribución espectral de radiación.
Figura 8: Relación Intensidad luminosa emitida vs. Corriente inyectada.
Figura 10: Distribución espacial de radiación.
4. Resistencia dependiente de la luz (LDR) Las siglas LDR (Light-dependent resistor) hacen referencia a una fotoresistencia o resistencia dependiente de la luz, compuesta por un semiconductor (p. ej. el sulfuro de cadmio CdS) cuya resistividad cambia cuando es expuesto a una radiación luminosa. Los valores de resistencias van desde unos 50 cuando es expuesta a una intensa radiación a varios megaohmios estando en completa oscuridad (Figura 11). VD ID
a)
b)
Figura 11: Símbolo eléctrico y apariencia real de una LDR. Como ya es conocido, la conductividad del semiconductor crece directamente proporcional a la concentración de portadores. Cuando se ilumina este material con luz de una frecuencia tal que la energía de los fotones h es superior a la anchura de la banda prohibida Eg, ésta es absorbida creándose pares electrón-hueco. Como 7
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT) resultado de esta generación óptica de portadores se puede conseguir un aumento significativo de esta conductividad. A los dispositivos diseñados para que se comporten de esta forma se le denominan fotoconductores. Bajo una cierta intensidad de radiación óptica, el exceso de portadores que hay en el semiconductor en desequilibrio (n) será proporcional al producto de la tasa de generación de pares electrones-huecos provocada por esa radiación (gop) por el tiempo de vida promedio de esos electrones-hueco (n).
g OP
n => n g OP n n
(3)
Para una intensidad luminosa dada, si los portadores tienden a desaparecer rápidamente después de su creación (n pequeño), la concentración de éstos siempre será baja, mientras que si esta tendencia es la contraria su concentración será alta. En el primer caso la conductividad del semiconductor será cercana a la conductividad intrínseca, por lo que la corriente obtenida al iluminarlo será baja (menor sensibilidad). Si las condiciones de iluminación cesan bruscamente, la concentración de portadores disminuirá más rápidamente si su tiempo de vida promedio es bajo (n pequeño) y la respuesta del semiconductor ante cambios de iluminación será rápida. Como conclusión, se puede afirmar que: -
Si n es pequeño => n es pequeño => rapidez en la respuesta y baja sensibilidad. Si n es grande => n es grande => lentitud en la respuesta y alta sensibilidad.
Las LDR presentan un problema de incompatibilidad entre sensibilidad y rapidez de respuesta, y es por ello que no se utilizan como elementos de un sistema de comunicación óptica. Ejemplo: Considérese un semiconductor intrínseco al que se le ilumina, de forma que la tasa de generación óptica se puede considerar uniforme y de valor gop= 1021 PEH/s·cm3. Calcule la corriente que resulta si se aplica una tensión externa de Vs = 10V antes y después de iluminar, siendo n 0.15 m2/v·s, p =0.06 m2/v·s, ni = 1.5 · 1010 cm-3, r = 10-7 cm3/s, L/(W·H) = 2 cm-1
Antes de iluminar, la conductividad será i q · ni· np) = 5.04 10-6 (·cm) -1 y la resistencia, Ri = L / (i · W · H) = 396.8 k La corriente de oscuridad (en ausencia de iluminación) será: I OSC
VS
R
25.2A
Después de iluminar y una vez establecido el régimen permanente, suponiendo hipótesis de alto nivel de inyección: gop = r · n2 n = (gop / r)1/2 = 1014 cm-3 La nueva conductividad será de i q · n· np) = 0.0336 (·cm) –1 mientras que la resistencia resulta ser Ri = L / (i · W · H) = 59.52 Y el valor de la corriente de iluminación será: I OP
VS
R
168mA 8
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
5. El fotodiodo PIN Las siglas del fotodiodo PIN hacen alusión a la estructura interna del dispositivo, ya que se ha insertado un semiconductor “intrínseco” entre los materiales p y n. Esta estructura está diseñada para absorber el máximo de fotones recibidos y convertirlos en pares electrones-huecos. Durante este proceso, la energía de los fotones es absorbida por un electrón del semiconductor para dar lugar a un electrón libre, dejando en su lugar un “hueco”. El mecanismo se denomina “generación óptica” y es similar al de “generación térmica”, diferenciándose sólo el origen de la energía absorbida (óptica en vez de térmica). El símbolo de un fotodiodo PIN se muestra en la Figura 12a, mientras que su apariencia real se hace en la Figura 12b.
a)
b)
Figura 12: Símbolo eléctrico y apariencia real de un fotodiodo PIN. La característica estática de un fotodiodo en oscuridad es similar a la de un diodo rectificador. A la corriente inversa de saturación (IO), que en esas condiciones se denomina “corriente de oscuridad” (IOSC) y que es debida exclusivamente a la generación térmica de pares electrones-huecos, habría que sumarle la corriente debida a la generación óptica de portadores (IOP). En la práctica, la característica estática se modifica según la expresión siguiente, representada gráficamente en la Figura 13, donde IOP 1, IOP 2, IOP 3 son las corrientes inversas de saturación a diferentes niveles de intensidad. =
·
⁄
−1 −
(4)
Figura 13: Característica estática del fotodiodo PIN. 9
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT) El fotodiodo PIN está diseñado para trabajar en polarización inversa, actuando como fotodetector. La corriente inversa registrada en el circuito sería indicativa del nivel de luminosidad al que estaría expuesto el dispositivo. La estructura del diodo PIN está diseñada para maximizar la cantidad de portadores que, una vez generados ópticamente, pasan a formar parte de la corriente de arrastre. Las siglas corresponden a las tres zonas que se pueden diferenciar en el diodo, zona p+, zona casi intrínseca y zona n+. En la Figura 14 se representa el esquema de un diodo PIN polarizado en inversa. Se puede observar como la carga iónica generada en la zona p+ no puede ser compensada por el escaso dopado de la zona intrínseca, haciendo que la región de carga espacial se extienda hasta la zona n+.
R
V s
hf + p
i
n
+
P
Figura 14. Estructura P-I-N polarizada en inversa, distribución de carga en RCE, campo eléctrico en RCE y distribución de potencia luminosa en el interior del dispositivo. Como consecuencia se tiene que el campo eléctrico actuará sobre una extensión bastante más ancha que en un diodo pn normal. En principio, solo aquellos portadores generados dentro de la zona de carga espacial o en las proximidades de ésta podrán ser arrastrados por el intenso campo eléctrico. Suponiendo que la luz incide por la capa p+ interesa que ésta sea estrecha, ya que es aquí donde se produce el mayor porcentaje de absorción de fotones. Si la zona intrínseca es lo suficientemente ancha se habrán recogido prácticamente todos los fotones dentro de la zona con campo eléctrico no nulo y la corriente será bastante elevada. Por otra parte, si la iluminación desaparece de forma brusca el campo eléctrico será el encargado de barrer rápidamente el exceso de portadores existente en la zona intrínseca y la velocidad de respuesta será elevada. 10
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
6. El fotodiodo de avalancha APD El fotodiodo de avalancha, APD por sus siglas en inglés (Avalanche Photo Diode), es un caso particular de fotodiodo, con una estructura modificada para conseguir mayores cantidades de corrientes de generación óptica (IOP) con la misma cantidad de intensidad luminosa. Esto lo consigue con una tensión de polarización inversa mayor que la requerida para el caso de los fotodiodos PIN. El fotodiodo de avalancha es un dispositivo cuya estructura permite tener una cierta ganancia interna. La diferencia con el diodo PIN estriba en la inclusión de una capa intermedia de dopado p+ entre la zona intrínseca y la zona n+. Esta modificación da como resultado un aumento importante del campo eléctrico de forma localizada. Aplicándole una fuerte polarización en inversa, se conseguirá que los portadores que aparezcan en la zona intrínseca sean acelerados fuertemente cuando se acerquen a la interfase p+- n+. Cuando estos portadores colisionan con los átomos de la red ceden parte de su energía cinética creando nuevos pares electrón-hueco que a su vez son acelerados por el campo eléctrico. El resultado es un efecto multiplicativo o de avalancha. El fotodiodo de avalancha tiene un tiempo de respuesta más bajo que el diodo PIN y necesita de tensiones de polarización mayores, pero como contrapartida posee mayor sensibilidad.
7. El fototransistor Un fototransistor tiene una estructura similar a la de un transistor BJT, pero con la base inaccesible eléctricamente. Para provocar el efecto transistor, que en un BJT se consigue inyectando portadores desde el emisor mediante la polarización directa de la unión base-emisor, el encapsulado del fototransistor incluye una ventana que permite la llegada de fotones a la base. La intensidad de fotones recibidos será proporcional a la cantidad de portadores generados en la base, y por tanto a la corriente IC que circula por el colector. C B E
a)
b)
Figura 15: Símbolo eléctrico y apariencia real de un fototransistor.
8. La fibra óptica Cuando se quiere transmitir una señal óptica a corta distancia se puede utilizar como medio transmisor el aire. Sin embargo, si las distancias son significativas hay que acudir a otro medio que presente mejores características de atenuación: la fibra óptica. Supóngase un medio dieléctrico sobre el que se propaga una señal luminosa. Se puede relacionar la velocidad a la que se transmite esa señal por el medio dieléctrico (v) con la velocidad de la luz en el vacío (c) a través del índice de refracción del material (ni).
11
Tecnología de Dispositivos y Componentes (1º GITT)
V
c ni
(5)
La Figura 16a muestra el paso de un rayo de luz de un medio dieléctrico de índice de refracción n1 a otro medio de índice n2. La relación entre los ángulos incidentes y transmitido viene dada por la Ley de Snell (6). ·
(
)=
·
(
)
(6)
Si n1 > n2 se tiene que 1 < 2. En el caso de que el rayo incida en la superficie de separación con un ángulo 1 > arcsen (n2/n1) se verificará que 2 > /2, con lo que el rayo no escapará del medio 1. Al valor c = arcsen (n2/n1) se le llama ángulo crítico. Este fenómeno, mostrado en la Figura 16b, se denomina reflexión total, y es aprovechado para confinar haces de luz dentro de la fibra óptica.
n2
2
n2
n1
1 r
n1
a)
2 r
c b)
Figura 16 : Refracción de un rayo de luz al atravesar la interfase entre dos medios a) y reflexión total b). Como se observa en la Figura 17, una fibra óptica está compuesta por un núcleo y una corteza de material dieléctrico, con la particularidad de que el índice de refracción del semiconductor que compone el núcleo es mayor que el de la corteza (n1 > n2). pérdidas
m
c
Núcleo
rayo guiado
rayo no guiado
Cubierta
n1 n2
Figura 17. Guiado de rayos y distribución de índices de refracción dentro de una fibra óptica. Para que se produzca un efecto de guiado óptico a través del núcleo de la fibra, los rayos de luz deben entrar con un ángulo menor que un determinado valor, denominado ángulo máximo de aceptación (m). En esta misma figura se muestra el efecto de guiado sobre dos diferentes rayos, uno de ellos con un ángulo igual al crítico y otro con un ángulo de entrada mayor que m. En el primer caso el guiado es total, mientras que en el segundo aparecen pérdidas que van debilitando el rayo en cada reflexión. En este último caso se habla de rayo no guiado.
12
