– Tiempo de vida de portadores minoritarios t U = ( %Q ) GaAs a
300 K 1 µV 1 QV Tiempo de vida disminuye con dopaje
Ritmo en GaAs y Si radiativa Rb-b interbanda no-radiativa Rdl
nivel profundo RA Auger
? U = 8 Eficiencias de Eficiencia ¾ inyección
¾ recombinación (interna) ¾
extracción ?LQ ?H la parte de la corriente creando
portadores minoritarios para recombinar ? U = 5U (5U + 5QU )
nº fotones emitido al exterior / total emitido Total (
conversión externa) ? = ?LQ ? U ?H ? = ?H[WHUQD 3RXW
2SWLFDO ,9
Eficiencia de materiales LED
= T¨ N7 ¸¨ ¸ + – © + – Eficiencia de
inyección Corriente a través de la unión p-n
en polarización directa ?LQ M = MK + MH § 'K S 1
¨ /K + 'H Q3 /H ·§ T9 · ¸¨ H –
¸ ¹© ¹ Para sólo inyección de
electrones en capa p Electrones inyectados en la parte p
Corriente total = ? LQ = MK MH + – + MH = 'H Q3 /H 'K S 1 'H Q3
/K /H
Eficiencia de inyección Para sólo inyección
de electrones en capa p ?LQ ? LQ = + 'K /H S 1 'H /K Q3 ˜ +
µ K S 3 µ H Q 1 con µH >> µK /H
˜ /K Q3 S3 = Q1 S1 = QL ? ?LQ ? mas alta con nN >> pP
capa n mas dopado
?LQ ?(x) x Dispositivo con sólo inyección de
electrones p n LED Asimétrico: Unión n+-p : ND
(capa n) >> NA (capa p) -xp E(x) xn 1 ' [Q = 1 $ [ S ? 9S
>> 9Q Realización de nN >> pP V(x) Sólo
importan para la recombinación electrones minoritarios
inyectados en capa p Vi w
?LQ Union n+-p : Surface-emitting LED simple y barato por
ejemplo: – con emisión de excitones (GaP) – heterouniones
energía emisión < energía gap
?U Eficiencia de Recombinación ? U = 5U (5U + 5QU )
Materiales de gap directo (homounión) ~ 50% – electrones
entran profundo en región activa – fotones reabsorbidos –
fotones emitidos hacia dentro del LED Materiales de gap
indirecto: con impurezas profundas: GaP:Zn, O: GaP:N Estructuras
de Doble Heterounión: pequeño ~ 30% ~ 3% 60 –
80%
?H Eficiencia de extracción Limitado por: 1.
Reabsorción
?H ) Eficiencia de extracción Limitado por: 2.
Geometría de radiación del LED (fotones emitidos
con ? > ?c atrapados) ?F = VLQ – (Q Q Para GaAs n=3.6
?c=17º
?H § Q ¨ Q « – ¨ ¸ ¬ ¼
· ¸ ¸ ¹ © ¹ Eficiencia de
extracción Fracción transmitida a medio 2 ) = ¨
© ª § Q – Q · º « ¨ Q + Q
¸ » GaAs: n1=3.6, n2=1 (aire) F ˜ 0.013 n2=1.5
(plástico) F ˜ 0.036
?H Distribución angular de Intensidad
?H Distribución angular de Intensidad LED planar:
Lambertian , , FRV F
?H Eficiencia de extracción (ILFLHQFLD H[WHUQD 7,3 /(' YV
/(' FRQYHQFLRQDO /DUJH -XQFWLRQ
Recombinación en gap indirecto- GaAsP nivel N
Energía de emisión
? Eficiencia externa (total)
? Eficiencia externa (total)
?F ) Perdidas al acoplar con una fibra Fibra con índice
núcleo nr 1, índice ‘capa’ nr 2 (nr 1
> nr 2) Angulo de aceptación: An apertura
numérica ? D = VLQ – (QU – QU = VLQ – ($Q ) Eficiencia de
acoplo: ?F = VLQ ?D
9 Estructuras: LED de heterounión Homounión
Homounión Heterounión doble Sin Polarizar
Polarización directa Polarización directa
Estructuras: LED de heterounión unión p n+
Problemas con homouniones: 1. estados de superficie en capa p
cerca de la unión ? recomb. no radiativa 2. electrones
inyectados en capa p se alejan por difusión, recombinan
con portadores mayoritarios de forma no radiativa 3.
reabsorción posible Ventajas heterounión: 1.
densidad estados intercara << densidad de estados
superficie 2. barrera es transparente para luz emitido (no hay
reabsorción) 3. eficiencia de inyección mayor
Estructuras: LED de heterounión AlxGa1-xAs p- AlxGa1-xAs
zona activa delgada GaAs 1000 – 2000 con
polarización directa
Heterounión doble: Eficiencia de Recombinación 60 %
?U
Burrus Surface Emitting diode
LEDs acoplados a una fibra Fibra con final esférico
Microlente Lente integrado
LEDs acoplados a una fibra Lente integrado
LED emitiendo por el borde divergencia reducida
Estructuras especiales: dispersión de corriente Contacto
hace sombra, con capa extra sale mas luz
Estructuras especiales: sustrato transparente (TS)
Estructuras especiales: pirámide invertida total external
efficiency of 55%
10 Tiempos de respuesta Tiempo de respuesta típica de un
LED < 1 µs • suficiente para pantallas •
crítico para uso en comunicación óptica
Factores que limitan: 1. Capacidad de la unión, causado
por variación de la carga por Vext (tiempo RC) & = 9L
– 9H[W Te1$ 2. Capacidad de difusión: La carga inyectada
desaparece por difusión y recombinación Con
modulación de Vext (bias) la carga tiene que desaparecer
por difusión, para adquirir nuevo equilibrio. ? tiempo de
vida de portadores minoritarios es determinante
t t Tiempos de respuesta Electrones inyectados en capa p Densidad
de electrones en exceso n disminuye por recombinación y
difusión ?Q([ W ) ?W = – 5 + 'H ? Q([ W ) ?[ 5 = Q([)
Respuesta a una modulación Q [ W = Q [ + Q [ H[S(L?W )
Respuesta del LED: U (? ) = ( + ? t ) = 3 ? 3 tiempo de vida de
portadores minoritarios
– – J d Tiempos de respuesta / modulación Mejor respuesta
con t pequeño, se consigue con: 1. Mayor dopaje GaAs:
dopaje alto: formación de centros no-radiativos t = 1.4 ns
2. Dopaje bajo, zona activa pequeña, inyección alta
densidad de corriente de inyección región activa
J/de nº de recombinaciones / m3s = R t = ( %Q ) t ? ( % ?Q )
?Q = -t HG § HG · ? t = ¨ ¸ © -%
¹
Tiempos de respuesta / modulación Formulación
alternativa: anchura de banda : frecuencia a la cual P disminuye
3dB Potencia de salida en función de la modulación
MHz
11 DC AC Circuitos I ~ 20 – 100 mA Vdirecta 1.2 V (GaAs) 2
V (GaP)
Circuito para modulación
12 LED en cavidad resonante (RCLED)
RCLED – modos en una cavidad Solape de la emisión
espontánea con modo de cavidad
Distributed Bragg Reflector (DBR)
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