Aula 5
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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.
