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Diodos emisores de luz (LED) Parte II




Enviado por Pablo Turmero



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    Tiempo de vida de portadores minoritarios t U = ( %Q ) GaAs a
    300 K 1 µV 1 QV Tiempo de vida disminuye con dopaje

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    Ritmo en GaAs y Si radiativa Rb-b interbanda no-radiativa Rdl
    nivel profundo RA Auger

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    ? 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

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    Eficiencia de materiales LED

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    = 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

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    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

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    ?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

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    ?LQ Union n+-p : Surface-emitting LED simple y barato por
    ejemplo: – con emisión de excitones (GaP) – heterouniones
    energía emisión < energía gap

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    ?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%

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    ?H Eficiencia de extracción Limitado por: 1.
    Reabsorción

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    ?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

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    ?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

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    ?H Distribución angular de Intensidad

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    ?H Distribución angular de Intensidad LED planar:
    Lambertian , , FRV F

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    ?H Eficiencia de extracción (ILFLHQFLD H[WHUQD 7,3 /(' YV
    /(' FRQYHQFLRQDO /DUJH -XQFWLRQ

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    Recombinación en gap indirecto- GaAsP nivel N
    Energía de emisión

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    ? Eficiencia externa (total)

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    ? Eficiencia externa (total)

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    ?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

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    9 Estructuras: LED de heterounión Homounión
    Homounión Heterounión doble Sin Polarizar
    Polarización directa Polarización directa

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    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

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    Estructuras: LED de heterounión AlxGa1-xAs p- AlxGa1-xAs
    zona activa delgada GaAs 1000 – 2000 con
    polarización directa

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    Heterounión doble: Eficiencia de Recombinación 60 %
    ?U

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    Burrus Surface Emitting diode

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    LEDs acoplados a una fibra Fibra con final esférico
    Microlente Lente integrado

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    LEDs acoplados a una fibra Lente integrado

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    LED emitiendo por el borde divergencia reducida

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    Estructuras especiales: dispersión de corriente Contacto
    hace sombra, con capa extra sale mas luz

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    Estructuras especiales: sustrato transparente (TS)

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    Estructuras especiales: pirámide invertida total external
    efficiency of 55%

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    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

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    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

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    – – 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

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    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

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    11 DC AC Circuitos I ~ 20 – 100 mA Vdirecta 1.2 V (GaAs) 2
    V (GaP)

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    Circuito para modulación

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    12 LED en cavidad resonante (RCLED)

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    RCLED – modos en una cavidad Solape de la emisión
    espontánea con modo de cavidad

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    Distributed Bragg Reflector (DBR)

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