Diode LED, Diode Superluminiscente(SLD), Superradiante: Functionare, Structura de

dispozitiv, Materiale Folosite.

Profesor indrumator: Realizator: S.L.Dr.Ing. C F M S

Cap. I

Diode LED

1. Principiul de functionare :

O dioda luminiscenta(LED-Light Emiting Diode) este un dispozitiv optoelectronic care genereaza lumina prin intermediul fenomenului de electroluminiscenta. Contine o jonctiune p-n care este parcursa de un curent electric.

Radiatia luminoasa si jonctiunea p-n. Cind un semiconductor de tip n este pus în contact cu unul de tip p, se formează o jonctiune p-n. La frontiera joncţiunii, electronii difuzează din partea n în partea p şi se recombină cu golurile de aici şi, în acelaşi timp, golurile din partea p difuzează în partea n şi se recombină cu electronii de aici. În consecinţă se formează o regiune sărăcită de purtători, în care nu există nici electroni liberi, nici goluri libere. Ionii pozitivi din partea n şi cei negativi din partea p a acestei regiuni, rămin necompensaţi ceea ce determină apariţia unui cîmp electric intern numit potenţial de contact şi descris cantitativ prin tensiunea de sărăcire VD (vezi fig.1).

Lucrul cel mai important de reţinut este că: recombinarea electron-gol eliberează o cuantă de energie - un foton. Prin urmare, pentru a face un semiconductor să radieze este necesar să susţinem recombinarea electron-gol. Dar tensiunea de sărăcire împiedică electronii şi golurile sa intre în regiunea sărăcită. Prin urmare trebuie furnizată energie din exterior pentru a învinge această barieră a tensiunii de sărăcire. Această tensiune exterioară, numită tensiune directă de polarizare, V, este arătată în fig.2; ea trebuie să fie mai mare decît VD. Pentru a obţine o emisie permanentă de lumină, trebuie să aibă loc următorul proces dinamic: electronii mobili din partea n, atraşi de terminalul pozitiv al tensiunii V, intră în regiunea săracită. Simultan, golurile mobile din regiunea p, atrase de terminalul negativ al tensiunii V, intră in aceeaşi regiune sărăcită. Recombinarea electron-gol din interiorul regiunii sărăcite produce lumina. Sarcinile electrice se refac din sursa de alimentare. Prin urmare, putem spune ca

2

2

un LED este o dioda semiconductoare care functioneaza pe principiul prezentat mai sus, al emisiei perma- nente de lumina. Acest principiu estedemonstrat in fig.3.

Observatie: Recombinarea electron-gol este un proces care are loc în orice diodă sau tranzistor. Care este diferenţa dintre un LED şi o diodă obişnuită ? Diferenţa este că în diodele obişnuite, această recombinare eliberează energie sub formă de căldură - nu sub formă de lumină (adică într-un alt domeniu al spectrului). Într-un LED, aceste recombinări eliberează energie sub formă de lumină. Recombinarea generatoare de caldură se numeşte neradiativă, în timp ce recombinarea generatoare de lumina se numeşte radiativă. În realitate, în orice diodă au loc ambele tipuri de recombinări; cînd majoritatea recombinărilor sunt radiative, avem un LED.

Curentul direct injecteaza electroni în regiunea sărăcită de purtători, unde ei se recombinăcu golurile în mod radiativ sau neradiativ. Prin urmare, recombinările neradiative"consumă" din electronii excitaţi necesari recombinării radiative, ceea ce scade eficienţaprocesului. Acest fapt este caracterizat prin eficienţa cuantică internă, ηint , parametrucare arată ce fracţie din numărut total de electroni excitaţi produce fotoni. Explicaţiile demai sus justifică caracteristica intrare-ieşire a unui LED prezentată în fig.4.Raţionamentul de mai sus poate fi formalizat astfel: puterea luminoasă, P, este energiaper secundă, adică numărul de fotoni înmulţit cu energia unui foton, Ep . Numărul defotoni este egal cu numărul de electroni injectaţi, N, înmulţit cu eficienţa cuantică internă.Astfel: P = (N*ηint*Ep ) t

3

3

Pe de altă parte, numărul de electroni (N) înmulţit cu sarcina unui electron (e) , pesecundă, este intensitatea curentului electric:

I = Ne*t

Deci, puterea luminoasă radiată va fi:P = ((It e)*ηint*Ep ) t = [(ηint*Ep* e)]I

Dacă măsurăm Ep în electron-volţi, eV, şi curentul I în mA, atunci:P(mW) = (ηintEp (eV))I(mA)

2. Homostructuri si Heterostructuri

Semiconductorii de tip n şi de tip p discutaţi pina acum erau realizaţi pe acelaşisemiconductor intrinsec. Jonctiunile p-n realizate in acest fel se numesc homojoncţiuni, iar un asemenea semiconductor homostructură. Există două construcţii de bază pentru un LED:

• LED cu emisie de suprafaţă (SLED), fig.5 • LED cu emisie laterală (ELED), fig.6

Regiunea sărăcită de purtători şi zona învecinată, în care se recombină electronii cugolurile, este numită regiunea activă. Lumina produsă prin această recombinare esteradiată în toate direcţiile, dar ea reuşeşte să iasă din dispozitiv doar printr-o fereastrăpracticată în electrodul superior (fig.5) sau deschizătura practicata într-o margine(fig.6).

Toate celelalte direcţii posibile, în cazul SLED, sau direcţia opusă, în cazulELED, sunt blocate.O homostructură are două dezavantaje principale. Primul este acela că regiunea activăeste prea difuză, ceea ce reduce eficienţa dispozitivului. Recombinările electron-gol auloc pe o arie largă, situaţie care impune o densitate mare de current pentru a susţineputerea radiate la nivelul dorit. Al doilea este că fascicolul de lumină radiat este prea larg,ceea ce face extrem de inefficient cuplajul luminii într-o fibră optică. Aceste două motivefac ca, practic, să nu se folosească homostructurile în constructia LED-urilor. LED-urile comercializate sunt realizate pe heterostructuri, adică dioda este realizată pe mai mulţi semiconductori, fiecare avînd o banda interzisă diferită. În fig.7 esteprezentată o heterostructură făcuta din doi semiconductori diferiţi.

Cu aceste heterostructuri sunt introduse două concepte de bază: confinarea recombinăriielectron-gol într-o regiune activa foarte redusă şi ghidarea luminii radiate într-o singură direcţie.Confinarea este obţinută plasînd un semiconductor cu o banda interzisă mică între două straturi semiconductoare cu banda interzisă mai mare. În fig.7 se arată că semiconductorul GaAs, a cărui banda interzisă este Eg = 1.42 eV, este plasat între două straturi de semiconductor AlGaAs, care are Eg = 1.92 eV.

Asa cum se poate vedea în fig.7, electronii injectaţi din

semiconductorul AlGaAs detip n se confrunta cu o barieră de potenţial la joncţiunea dintre semiconductorul GaAs şisemiconductorul AlGaAs de tip p. Această barieră reflectă electronii înapoi în regiuneaactivă. Acelaşi mecanism se aplica si golurilor.Conducţia luminii într-o singura direcţie este obţinută prin faptul ca semiconductorulGaAs are un indice de refracţie, 3.66, mai mare decît straturile învecitate de AlGaAs, 3.2.În acest fel, regiunea activa funcţionează similar cu miezul unei fibre optice.Structura descrisa mai sus este numită heterostructură dublă. Cele mai multe LED-uricomercializate utilizează heterostructuri triple pentru a îmbunătăţi eficienţa radiaţiei şiconfinarea luminii radiate.

3. Configuratia spatiala a radiatiei unui LED: Cele doua tipuri de leduri au configuraţii spatiale ale radiaţiei diferite.SLED-ul radiază lumina ca o sursa Lambertiană, ca in fig.8.Distribuţia spatială a puterii radiate este descrisa de formula:P = P0 cosθ unde θ este unghiul dintre direcţia de observaţie şi dreapta perpendiculară pe suprafaţa deradiaţie. Jumătate din puterea unei surse Lambertiene este concentrată într-un con de120°. ELED-ul radiază ca o sursă Lambertiană într-un plan paralel cu marginea, producînd unfascicol mult mai îngust într-un plan perpendicular pe margine, ca în fig.9.

4.Spectrul radiatiei unui LED:Lungimea de undă radiată depinde de banda interzisă a semiconductorului. Nu putemschimba banda interzisă, prin urmare pentru a obţine o altă lungime de undă trebuie săalegem un alt semiconductor. O enrgie Eg dorită se obţine utilizînd un semiconductorcompus din mai multe elemente. În tabelul 1 sunt prezentate benzile interzise şi lungimile de undă a unora din cei mai populari semiconductori.

Aplicatii si avantaje ale LED-urilor:-comunicatii prin fibra optica, pe distante mici; -iluminare-inlocuieste becurile clasice; -constructia de ecrane,avand numeroase avantaje asupra cristalelor lichide (durata de viata mai mare, consum redus,culori mai intense);-electronica medicala-optoizolator(face legatura intre

2 circuite ca nu impartasesc aceeasi masa);-sisteme de supraveghere si securitate;-generarea umei lumini de o anumita culoare (de exemplu semafoare)se poate face direct. Aceasta metoda e mai eficienta decat folosirea unei lampi incandescente si a unui filtru de culoare care absoarbe o parte din puterea optica generata.-sursele de lumina alcatuite dintr-un ansamblu de led-uri raman functionale chiar si dupa defectarea unuia, un aspect foarte important mai ales daca vorbim despre luminile ce asigura siguranta traficului de exemplu(semafoare). -constructia led-urilor este una foarte robusta lucru ce favorizeaza durata de viata a led-ului mai ales prin o rezistenta ridicata la socurile mecanice.

Cap. IIDiode Superluminiscente(SLD), Superradiante

1.Principiul de functionare: O dioda superluminiscenta este un dispozitiv optoelectronic care emite radiatie luminoasa de banda larga, bazata pe fenomenul de superluminiscenta. Principiu de functionare este similar celui de la dioda LED, explicat mai sus. Dioda superluminiscenta(SLD) este construita pe principiul diodei LED adica dintr-o jonctiune p-n. SLD sunt surse de lumina care combina proprietatile diodelor LED cu cele ale diodelor laser LD. LED-urile functioneaza pe baza injectarii de electroni si goluri intr-o regiune activa a unei jonctiuni p-n semiconductoare. Emisia luminii este cauzata de recombinarile spontane ale golurilor cu electronii. In contrast, diodele laser au o eficienta mult mai mare datorita gastigului care poate fi atribuit urmatorului fenomen. Fotonii sunt emisi in urma unei recombinari electron-gol care stimuleaza radiativ o alta pereche electron-gol, reusind astfel sa creeze o radiatie sustinuta, care da nastere unui fascicul de lumina coerenta. Cand sunt polarizate direct, SLD devin active si genereaza emisie spontana amplificata, care acopera o gama larga de lungimi de unda. Spre deosebire de diodele laser, SLD nu au „feedback” suficient pentru a se produce fenomenul de laser (lasing). Acesta este de obicei obtinut datorita actiunii comune a unui ghid de unda in care este dirijata radiatia generata si fatetele antireflexie. Acest fenomen este redat si in fig.10

Atentie! Desenul din figura 10 nu reprezinta o schema sau o explicatie a functionarii Diodei Superluminiscente. Dimpotriva, figura 10 reprezinta pricipiul de functionare al diodei laser si a fost introdus cu scopul de a ilustra conceptul de „feedback intern”, concept pe care nu il regasim la Dioda Superluminiscenta.

SLD se fac prin aceleasi tehnologii ca si diodele laser si pot fi fabricate sa functioneze la lungimi de unda diferite cum ar fi: 835nm, 960nm, 1300nm sau chiar 1550nm.SLD ofera o putere mai mare in comparatie cu led-urile conventionale si ofera o gama spectrala mai larga (coerenta mai mica) decat dioda laser.

2. SLD si feedback-ul optic extern:Castigul mare al diodei superluminiscente in regiunea activa se datoreaza inaltei sensibilitati ale diodei la feedback-ul optic extern. Orice excitatie optica returnata diodei va fi amplificata de aceasta in regiunea activa. O simpla estimare arata ca in cazul unui castig de 30dB, pana si un feedback de 1% va genera de

10 ori mai multi fotoni. Daca castigul este aproape de valoarea de saturatie rezulta o putere scazuta a diodei superluminiscente. In acest caz, chiar si feedback-ul de 1% dauneaza sever performantei diodei. In figura 11 este reprezentata caracteristica lumina-curent, cu si fara feedback.

Concluzie: Sensibilitatea diodei superluminiscente la feedback-ul optic este o proprietate intrinseca care rezulta din amplificarea(castigul) foarte mare din regiunea activa si din fenomenul de saturatie al castigului. Cu cat dioda este mai puternica cu atat este mai sensibila la feedback optic extern.

3. Performanta SLD in raport cu temperatura:

Amplificarea optica in semiconductori depinde puternic de temperatura. Datorita acesteia si datorita faptului ca puterea diodelor superluminiscente e exponential dependenta de castig(amplificare), putem spune ca si puterea SLD-urilor depinde de temperatura. Acest fapt e foarte vizibil in special la benzile de 680 nm, 1300 nm, 1550 nm, unde dependenta se accentueaza. De exemplu, puterea unei diode scade de pana la 10 ori cant temperatura creste de la +25 °C la +50 °C (vezi fig.12). Din cauza densitatii mari a curentului, nu se poate folosi cresterea curentului pentru compensarea puterii deoarece acest lucru ar reduce semnificant durata de viata a diodei.

4. Aplicatii ale SLD:

a. In electronica medicala intr-o variata gama de aplicatii cum ar fi: diagnosticarea problemelor de cornee si retina, imagistica cardiovasculara sau chiar cercetare in domeniul biologiei care necesita o banda larga pentru rezolutia spatiala a imaginilor si o putere optica suficienta pentru achizitia rapida a imaginilor cu un raport satisfacator semnal-zgomot.

b. Lumina de banda larga poate fi folosita pentru testarea proprietatilor altor componente optoelectronice cum ar fi transmisia, factori de amplificare, dispersie, s.a.m.d. de exemplu poate fi folosita la diagnosticarea problemelor in legaturile de fibra optica prin masurarea dispersiei cromatice.

c. Unele tipuri de senzori, de exemplu pentru masurarea temperaturii, presiunii in conducte de petrol, pot fi implementate cu surse de lumina de banda larga. Puterile mari de iesire pot fi benefice deoarece acestea permit implementarea mai multor senzori in acelas timp, pe distante lungi,prin intermediul fibrei optice.

d. Giroscoapele din fibra optica se folosesc pentru navigatia avioanelor mari beneficiind de o sursa de lumina de banda larga. Deplasarea de faza Sagnac, asociata unei rotatii mai poate fi masurata si cu un rezonator laser(ring-laser) . Cu toate acestea o sursa de banda larga permite sa se puna in aplicare un principiu care nu sufera de fenomenul de faza de blocare care apare la viteze mici de rotatie. Si mai mult, configurarea este destul de simpla si robusta, nefiind necesare componente scumpe. Cu toate acestea, stabilitatea lungimii de unda a sursei este o problema care trebuie studiata cu atentie.

Bibliografie

http://www.rp-photonics.com/superluminescent_diodes.html

http://www.electronics-manufacturers.com/info/optoelectronics/superluminescent-diode-sld.html

http://www.superlumdiodes.com/pdf/sld_overview.pdf

http://www.epanorama.net/links/opto.html#led

Cursul de OPTOELECTRONICA- Prof.dr.ing. Emil Voiculescu,Catedra-Bazele Electronicii,

Facultatea de Electronica, Telecomunicatii si Tehnologia Informatiei,Cluj-Napoca