Diodi ad emissione di luce

1)       Caratteristiche del LED :

Basse potenze ottiche d´uscita, spettro largo ed emissione incoerente, tutto ciò determina una bassa velocità che gli fa preferire il LASER nei sistemi ottici di telecomunicazioni.

 

2) Spettro di emissione teorico e reale :

Lo spettro teorico è  essendo  , lo spettro reale è molto più simmetrico per via delle seguenti :

a)       “band tailing” ossia per alte concentrazioni di drogante il donor level è molto prossimo alla banda di conduzione per cui è come se questa si abbassa e quindi rende il gap inferiore

b)       possono avvenire anche urti fotone + fonone + elettrone i quali pur essendo poco probabili interessano fotoni ad energia inferiore rispetto alla gap

c)       la transizione che produce il fonone può avvenire anche tra una trappola situata all´interno della Gap e la banda di valenza, pertanto si avranno fotoni emessi anche ad energie inferiori a quella della gap

 

3) Larghezza spettrale relativa :

 

4) Struttura tipica del LED :

Consideriamo una struttura in GaAs , si ha un substrato drogato n⁺ al quale è applicato da un lato il contatto metallico mentre sulla altro lato è depositato uno strato epitassiale anche esso n⁺ il quale presenta una maggiore regolarità reticolare e su di esso si ha uno strato con diffusione di tipo p. Tale ultimo strato è ricoperto solo nella parte centrale da un contatto metallico in quanto una area rilevante deve essere lasciata libera per la fuoriuscita di fotoni.

 

5) LED “Burrus Type” :

Si tratta di un LED che massimizza la accoppiamento con la fibra ottica, il layer superiore è un substrato di tipo n il quale viene eroso per avvicinare la giunzione alla superficie superiore, si ha poi una regione p_doped separata dal contatto positivo tramite un ossido ovunque presente tranne che nella parte centrale, in tal modo la corrente passa soltanto attraverso questa piccola sezione che poi coincide con la sezione del nucleo della fibra.

 

6) Effetti della temperatura sui LED :

Un aumento della temperatura può variare la distribuzione spettrale, ridurre l´efficienza di emissione e far diminuire la vita media del LED.

 

7) Efficienza quantica interna :

In un LED sono possibili sia ricombinazioni radiative che non radiative, le entità di questi due processi sono influenzate dal tipo di gap e dalla qualità del materiale, facendo riferimento ad elettroni minoritari in regioni di tipo p si ha

 essendo t_rr il tempo di vita medio degli elettroni dovuto a ricombinazioni radiative. Per rendere h_int @ 1 occorre che le ricombinazioni radiative siano molto più veloci di quelle non radiative ossia t_rr << t_nr .

Nel caso di un semiconduttore a gap indiretta in genere h = 10^-5 mentre per uno a gap diretta h = 0.5 .

 

8) Potenza ottica generata da un semiconduttore :

dove N_phot è il n° di fotoni generati nel semiconduttore ed I la corrente di iniezione della giunzione.

 

9) Efficienza quantica esterna :

Non tutti i fotoni generati riescono effettivamente ad uscire dalla giunzione, l´efficienza quantica esterna è appunto il rapporto tra il numero di fotoni emessi dal semiconduttore ed il numero di portatori che attraversano la giunzione, i fattori che la limitano sono i seguenti :

a)       la giunzione emette in tutte le direzioni quindi solo la metà della radiazione prodotta raggiunge la superficie.

b)       Per angoli di incidenza maggiori della angolo limite la giunzione determinerà una riflessione totale impedendo a tale radiazione di fuoriuscire dal dispositivo

c)       Riflessioni di Fresnel che avvengono anche per angoli di incidenza inferiori alla angolo limite, il coefficiente di trasmissione può essere aumentato inserendo tra il semiconduttore e la aria un layer avente indice di rifrazione intermedio tra i due valori

d)       La radiazione emessa ha energia superiore a quella della gap pertanto può essere riassorbita all´interno del materiale creando delle coppie elettrone - lacuna, tale effetto può essere ridotto ponendo la giunzione il più vicino possibile alla superficie, raggiungendo però un compromesso con l´efficienza interna la quale diminuisce in questa direzione in quanto avvicinandosi alla superficie aumenta il n° di trappole e quindi le ricombinazioni non radiative.

 

10) Efficienza totale :

dove NA è la apertura numerica della fibra ed f´ la frazione di potenza irraggiata che riesce ad uscire evitando una riflessione totale mentre   è il coefficiente di trasmissione .

 

11) LED a doppia eterostruttura e suoi vantaggi sui LED tradizionali :

È costituito da un substrato eroso in modo da alloggiare la fibra ottica, sotto di esso si alternano 2 volte un semiconduttore a gap largo AlGaAs ed uno a gap stretto GaAs , in tal modo si ottiene che :

a)       i portatori minoritari sono confinati nel layer a gap stretto situato tra 2 layer a gap largo

b)       il layer a gap largo è trasparente alla radiazione emessa per ricombinazione nel layer a gap stretto e quindi viene eliminato il problema del riassorbimento

c)       il layer a gap largo ha in genere indice di rifrazione minore il che implica che la radiazione sia confinata nel layer a gap stretto.

 

12) Edge emitting DH LED :

È utilizzato per accoppiamento con fibre di diametro molto ridotto, in sostanza si sfrutta il fatto che il semiconduttore a gap larga ha un indice di rifrazione maggiore di quello a gap stretta che pertanto si comporta come una guida d´onda.

 

13) Risposta in frequenza dei LED :

dove P₁ è la parte della potenza ottica dipendente dal tempo mentre P_o  è la parte indipendente, si ha che per frequenze superiori ad  la sorgente perde efficienza , essa può essere aumentata riducendo t_rr aumentando la concentrazione di drogante trovando però un compromesso in quanto in tal modo si riduce h_int .