tipo n Si
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INTRODUÇÃO À NANOTECNOLOGIA Dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos baseados em nanoestruturas semicondutoras Aula 4 2007.1 Nanoestruturas ainda mais complexas... Nano-árvores Fig. 1. Zinc oxide nanowalls and nanowires H. T. Ng et al., Science 300, 1249 (2003) Published by AAAS Usados para eletrônica... Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio Rede do diamante C, Si ou Ge Cada átomo está ligado a 4 outros Rede cúbica de face centrada Duas redes transladadas de ¼ da diagonal central Tabela periódica dos elementos III IV V ... e na opto-eletrônica Rede cristalina do GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs... Rede Zincblend Ga, In, Al As, P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Elétrons ligados (BV) Si Si Si Qual a energia necessária para liberar estes elétrons? Si Si Si Si Si Si Si Si Si Elétrons livre (BC) Si Si Si Falta de 1 elétron “buraco” Si Si Si E= hc/λ E= 1240 /λ (eV/nm) E= 1,24 /λ (eV/µm) BC Eg Energia do elétron Energia do elétron Semicondutores BC Eg BV Posição Eg pequeno Probabilidade: exp(-Eg/kT) BV Posição Facilidade para elétrons saírem da BV para a BC Temperatura e luz Mecanismos de condução diferentes ρ (Ω.m) dρ/dT Aumento no número de portadores de carga Silício 3 x 103 -70 x 10-3 - T ρ Cobre 2 x 10-8 4 x 10-3 + T ρ ρ = m/ne2τ O aumento das vibrações cristalinas dificulta a passagem do elétron Princípio de operação de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos • • • • Transistores Fotodetectores LEDs Lasers Junção p-n Nível de Fermi f(E) = 1/(1 + exp((E-EF)/kT)) T = 0K T ≠ 0K 1 f(E) BC EF BV EF Energia Material intrínseco Dopagem p e n • Dopagem n se introduz um elemento com 1 elétron a mais que o átomo a ser substituído. Exemplos: P no lugar de Si, Si no lugar de Ga, S no lugar de As. As impurezas passam a se denominadas doadoras. Haverá um excesso de elétrons para condução. • Dopagem p se introduz um elemento com 1 elétron a menos que o átomo a ser substituído. Exemplos: B no lugar de Si, Si no lugar de As, Zn no lugar de Ga. As impurezas passam a se denominadas aceitadoras. Haverá um excesso de buracos para condução. Dopagem p e n III IV V Em relação ao Si: Si – Ne + 3s2 3p2 B: He + 3s2 3p1 menos um elétron (grupo III) – tipo p As: Ar + 3s2 3p3 mais um elétron (grupo V) – tipo n Impureza doadora Si Si Si Si Si “Sobra” 1 elétron Si Si As Si Si Si Si Si Si Si Qual a energia necessária para liberar este elétron? Material tipo n Ed BC Energia do elétron Energia do elétron BC + BV Posição BV Posição D o + Ed = D+ + e - Ed Impureza aceitadora Si Si Si Si Si “Falta” 1 elétron Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Qual a energia necessária para liberar este elétron? Material tipo p Ea BC Energia do elétron Energia do elétron BC Ea BV Posição BV Posição Ao + Ea = A- + h+ Junção p-n tipo – p BC tipo – n BC Ed Ea BV BV tipo – p BC tipo – n BC Ed Ea BV BV Surgimento de um campo elétrico intrínseco ε tipo – p BC tipo – n Fluxo de e - BC + + Fluxo de b BV BV Região de cargas fixas Aumento do campo elétrico intrínseco ε tipo – p tipo – n BC BC - - - ++ ++ BV BV Região de cargas fixas ε tipo – p tipo – n BC BC Equilíbrio - - - ++ ++ BV Corrente X Campo elétrico BV Cargas Cargas negativas positivas fixas fixas Região de cargas fixas ε 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 ε 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 ε 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 ε 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 ε 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 ε 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 ε tipo – p tipo – n - + Polarização reversa Funcionamento de JFETs Operação de um JFET Curva do JFET para VGS = 0 MISFET ou MOSFET metal isolante semicondutor EF EF EFs EF EFs EFs Camada de inversão Canal de condução é induzido MOSFET Aplicação: inversor Laser Light Amplification by 3 ingredientes: Amplificação Stimulated Emission of Radiation Re-alimentação Bombeio Propriedades: •Luz monocromática •Feixe direcional •Luz coerente Amplificação: emissão estimulada 1 átomo isolado (E2>E1) Antes Depois E2 E2 E1 E1 Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada (meio de ganho) E2 E2 E1 E1 E2 E2 E1 E1 = Funcionamento do LASER Espelhos Energia Energia Emissão espontânea Energia Re-alimentação Energia Absorção Este processo acaba devido as perdas do sistema Energia Energia Emissão espontânea Energia Re-alimentação Meio de ganho Energia Emissão estimulada Energia Re-alimentação Energia Emissão estimulada Reação em cadeia Energia Reação em cadeia até entrar em equilíbrio Como produzir a inversão de população no caso do semicondutor? tipo – p tipo – n BC BV ε tipo – p+ BC BV tipo – n+ tipo – p+ tipo – n+ BC Eg BV Meio de ganho tipo – p+ tipo – n+ BC Eg BV Utilização de heteroestruturas Confinamento de portadores de corrente Confinamento do modo óptico BC BV Aparecimento de mini-bandas Quantum Cascade Lasers LEDs Junção p-n polarizada diretamente, sem re-alimentação. Baseia-se na emissão espontânea tipo – p+ tipo – n+ BC Eg BV Device Applications Quantum dots were expected to lead to devices with better performance. In some cases this is already a reality. • Quantum dot lasers • 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 µm on GaAs substrates. Two approaches: a) low growth rates → large and uniform dots but with low density, which implies in low gain. 19 A cm-2 Park et al 2000 17 A cm-2 (300 K) Sellers et al 2004 b) D-well structures → growth of InAs dots on InGaAs reduces the energy and increases the density. Future challenge reach 1.55 µm: a) introduction of N to lower the gap. b) move to InP substrates (smaller mismatch). Quantum dot laser 5 times Quantum Dot (Mid-) Infrared Photodetector (QDIP) Applications of QDIPs for the 2-20 µm range: Telecommunication Detection of toxic gases Night vision Imaging Environment Monitoring Medicine E = hc/λ = 1.24 /λ (µm.eV) λ (µm) 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 λp T = 2898 µm.K 300 K ≈ 10 µm Turbina: 700 K ≈ 4 µm Contramedida: 2000 K ≈ 1 µm Faixas do Infravermelho SWIR MWIR LWIR Imageamento infravermelho: segurança industrial Telecomunicações – Free space Janela óptica em 10 µm 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 µm BV Tecnologias para detecção no infravermelho 3) QWIPs (quantum well infrared photodetectors): absorção óptica intrabanda. BC hν E2 – E1 Vantagem: Absorção mais seletiva Desvantagem: Não acopla radiação com incidência normal BV 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 BC 85 Å 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 10 60 K 80 K 5 100 K 15 sample 990 10 5 120 K 0 5 10 15 0 0 wavelength (µm) 5 10 15 20 25 wavelength (µm) 90 sam ple 997 Photocurrent (arb. u.) 70 60 5 K 50 20 K 40 40 K 30 60 K 20 80 K 10 100 K 780 normal incidence Photocurrent intensity (arb. u.) 80 45° unpolarized 45° s-polarization 120 K 0 45° p-polarization 0 5 10 15 w avelength ( µ m ) 20 25 3 4 5 6 wavelength (µm) 7 8 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).
