capÍtulo 4. emissores de luz - fenix.tecnico.ulisboa.pt · ausência de retro-reflexões da luz...
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4.1
Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
CAPÍTULO 4. EMISSORES DE LUZ
Os emissores de luz fazem parte de uma família de dispositivos que genericamente se
designam por conversores electro-ópticos. Nestes dispositivos promovem-se as condições
favoráveis à recombinação de pares electrão-buraco. A conversão de energia está associada a
transições electrónicas com emissão de fotões de comprimentos de onda compatíveis com a
variação de energia ocorrida, de acordo com (2.3.14). As transições electrónicas podem ser
radiativas ou não; as transições radiativas podem ser de vários tipos, tal como representado na
Fig. 1.4.
4.1 DÍODOS EMISSORES DE LUZ (LEDs)
Os LEDs1 são conversores de energia eléctrica em energia luminosa ditos não coerentes
(Fig.4.1)
- Fig.4.1-
LEDs
Significa este facto que a descrição do seu funcionamento recorre apenas a mecanismos
de emissão espontânea e não estimulada. Para optimizar a conversão de energia as condições
que devem ser verificadas nos LEDs são as seguintes
Possibilidade de transições inter-banda nos materiais por utilização de materiais de
banda directa. São exemplos típicos os compostos (Apêndice III) ,GaAs GaP ou
x 1-x .Ga As P 1 Light Emitting Diode, na designação anglo-saxónica.
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Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
Elevada população de electrões e de buracos, de forma a garantir um elevado ritmo
de recombinação. Para tal os dispositivos devem ser constituídos por junções pn
polarizadas directamente. A utilização de heterojunções com barreiras de potencial
adequadas garante um melhor confinamento de portadores, condição necessária a um
reforço do ritmo de recombinação.
Ausência de retro-reflexões da luz emitida, por uso de camadas envolventes do
semicondutor com índices de refracção muito próximos dos do semicondutor.
Ausência de frequências de emissão indesejáveis no espectro da radiação emitida.
Utilizam-se materiais isentos de defeitos cristalinos ou de outras imperfeições que
possam estar na origem de centros de recombinação associados a transições espúrias.
4.1.1 Princípio de funcionamento
O funcionamento de um LED corresponde basicamente ao de uma junção pn polarizada
no sentido directo. Deste modo os electrões (buracos) que são maioritários na região ( )n p
são injectados na zona ( ) ,p n onde se recombinam com os buracos (electrões). A estrutura
típica de um LED está esquematicamente representada na Fig. 4.2.
- Fig. 4.2 -
Representação esquemática da estrutura de um LED.
A junção pn é feita de materiais semicondutores de banda directa, de modo a que os
portadores excedentários se recombinem de forma radiativa. As recombinações podem dar-se
quer nas zonas neutras n e p, quer na região de transição. Neste último caso o ritmo é
desprezável, atendendo às dimensões reduzidas da região de transição2, como se pode 2 De salientar que com a polarização directa as dimensões da região de transição são ainda menores que em
equilíbrio termodinâmico. Na junções abruptas 0 .cl V U∝ −
p2SiOhf
substracto
contacto metálico
n
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Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
verificar na Fig. 4.3. Nas regiões neutras a zona de emissão é limitada pelos comprimentos de
difusão dos portadores minoritários3. A região onde as concentrações das populações de
electrões e de buracos são simultaneamente elevadas é nas homojunções de dimensão
desprezável. Diz-se que o confinamento de portadores associado às homojunções é pobre.
- Fig. 4.3 -
Funcionamento de um LED
Os rendimentos de injecção de portadores minoritários são definidos por
(4.1.1)
(4.1.2)
Para cristais com zonas neutras semi-infinitas isto é com comprimentos muito
superiores aos comprimentos de difusão dos portadores ,
1 (4.1.3)
1 (4.1.4)
Atendendo a que
(4.1.5)
e substituindo (4.1.3) e (4.1.4) em (4.1.1) e em (4.1.2)
(4.1.6)
3 Para comprimentos cerca de 5 vezes superiores aos comprimentos de difusão, a concentração de minorias é praticamente igual à de equilíbrio termodinâmico e, portanto, de valor desprezável.
FpWnFW
pL nLW
hfhf
hfCW
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Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
Uma vez que para a maioria dos semicondutores, a mobilidade dos electrões é superior
à dos buracos, o rendimento de injecção de electrões na zona p é superior ao dos buracos na
zona n quando as junções são simétricas: nas homojunções a região mais radiativa é do tipo
p e constitui por essa razão normalmente a face emissora. (Fig. 4.2). Por questões
relacionadas com o tempo de resposta do dispositivo, ambas as regiões devem ser muito
dopadas. De salientar, contudo, que o aumento da dopagem está condicionado, uma vez que
conduz à diminuição da altura da banda proibida e, portanto, à alteração das características de
emissão.
4.1.2 Tempo de recombinação radiativa
Demonstra-se que os tempos de recombinação radiativa podem variar de várias ordens
de grandeza num dado material, dependendo das condições de injecção e/ou dopagem do
material. No GaAs a 300 K (Fig. 4.4), o seu valor pode variar de [ ]6 910 a 10 s .− −
- Fig.4.4 -
Tempo de recombinação radiativa no GaAs a 300 K como função da dopagem (NA para electrões injectados num semicondutor de tipo p) ou da injecção de portadores (n=p).
4.1.3 Relação estacionária potência luminosa-corrente eléctrica ( )P Iφ
A relação tensão-corrente num LED é a de uma junção pn
1 (4.1.7)
A corrente inversa de saturação toma valores da ordem de 10-28 [A] para o GaAs
-3cm⎡ ⎤⎣ ⎦
[ ]sRτ5
6
7
8
9
10
10
10
10
10
10
10
−
−
−
−
−
−
14 15 16 17 18 1910 10 10 10 10 10
Injecção fraca
Situação degenerada
Operação LASER
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(λ=940nm) e uma ordem de grandeza abaixo para o díodo de GaAsP que emite no vermelho
(λ=650nm) A Fig. 4.5 mostra várias estruturas para díodos emissores de luz que emitem na
faixa do infravermelho4. A altura da banda proibida desses materiais é superior à do silício,
correspondendo-lhes, para a mesma temperatura, menores valores para a concentração
intrínseca e para a corrente inversa de saturação. Por essa mesma razão a influência dos
centros de recombinação profundos ou ratoeiras5 torna-se mais acentuada, o que é traduzido
por um factor de não idealidade 1.η≠
Se os tempos de vida médios associados às recombinações radiativas forem
independentes das concentrações de portadores, cada portador injectado é responsável pela
emissão de um fotão, a potência luminosa será proporcional a ( )exp / ,D TU U⎡ ⎤η⎣ ⎦ e, portanto,
à corrente eléctrica para o caso de um díodo fortemente polarizado no sentido directo.
Contudo, se a recombinação não radiativa associada às ratoeiras for importante, o factor de
não idealidade aproxima-se do valor 2, sendo a potência luminosa proporcional ao quadrado
da corrente eléctrica6.
Na característica da Fig. 4.6 pode verificar-se a existência de duas zonas com
comportamentos muito diferentes: crescimento mais rápido (declive aprox. igual a 2) para
baixas correntes do que na zona de elevadas correntes (declive aprox. unitário).
A Fig. 4.7 representa a potência luminosa emitida em função da corrente para dois
LEDs de heterojunção com adaptações de redes diferentes. Da análise da figura pode
concluir-se que uma menor adaptação de redes se traduz por um declive maior na variação e
por menores potências de emissão para os mesmos valores de corrente, sugerindo uma maior
influência dos defeitos cristalinos nos ritmos de recombinação do tipo não radiativo.
4 IREDs na designação anglo-saxónica. 5 Traps, na designação anglo-saxónica. 6 Da teoria de Schockley-Watkins-Read para a junção de silício, para polarizações inferiores a alguns TU a corrente de recombinação é mais importante que a corrente de difusão, verificando-se
exp2
DD
T
UI
U⎛ ⎞
∝ ⎜ ⎟⎝ ⎠
Por outro lado, para elevados valores de corrente, quando a corrente de difusão se torna muito superior à de recombinação, a característica tensão-corrente apresenta uma variação do tipo
exp DD
T
UI
U⎛ ⎞
∝ ⎜ ⎟⎝ ⎠
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- Fig.4.5 -
Estruturas de díodos emissores de luz no infravermelho. (a) IRED 950 [nm]; (b) IRED 900 [nm]; (c) IRED 820-880 [nm].
- Fig.4.6 -
Pφ
região dominada pelos defeitos
região de transição
1m =
2m =
região de injecção
I
GaAsn −
p
GaAstransparenten −
GaAs : Sin − GaAsabsorventen −
Estrutura DH
( )a ( )b
( )c
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Característica estacionária potência luminosa em função da corrente de injecção num LED.
- Fig.4.7 -
Potência luminosa em função da corrente para dois díodos de dupla heterojunção. 1- 0, 485; / 0,07%; declive 1,3;x a a= Δ = = 2- 0, 417; / 0,6%; declive 1,7.x a a= Δ = =
A característica ( )D DI U típica de um LED está representada na Fig.4.8. A parte da
curva a tracejado indica a zona de funcionamento em regime pulsado para dois impulsos de
duração diferente.
- Fig.4.8 -
Característica tensão-corrente de um LED.
A potência de emissão Pφ varia com a corrente de forma aproximadamente linear para
correntes relativamente baixas [ ]( )100 mA ,DI < tendendo a saturar para correntes mais
elevadas (Fig.4.9), em virtude do forte aquecimento do dispositivo para esses valores de
corrente. É possível contudo obviar esse problemas através da aplicação de impulsos (regime
[ ]VDU
[ ]ADI 4 3 2 110 10 10 10 1− − − −
regime pulsado
I
Pφ
InGaP
InGaP
GaAspnp
1
2
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pulsado) à entrada do LED em substituição num regime de modo estático, conduzindo-se
assim a um alargamento da zona de funcionamento linear da relação ( ).DP Iφ Outra
vantagem do regime pulsado é a possibilidade de estender a zona de funcionamento do díodo
a regiões correspondentes a correntes demasiado elevadas para que o funcionamento
estacionário seja possível (limitações de potência).
- Fig.4.9 -
Característica estacionária potência luminosa-corrente de um LED.
4.1.4 Espectro de emissão
A radiação emitida por um LED resulta de mecanismos de recombinação espontânea
que são reforçados nas situações de forte polarização directa do díodo. O espectro de radiação
situa-se na vizinhança do comprimento de onda relacionado com a altura da banda proibida
do material semicondutor de acordo com (2.3.14). Na medida em que algumas transições
estão associadas aos níveis de impurezas, o espectro pode também ser condicionado pelo
dopante utilizado.
Muitos materiais são presentemente utilizados para incluir toda a radiação visível.
Usando compostos ternários 1x xAB C − e quaternários 1y x x yA B C D− é possível cobrir uma
vasta gama espectral por variação das composições ex y do composto. Os compostos II-VI e
as ligas correspondentes têm valores de GW compatíveis com os comprimentos de onda do
visível e, no entanto, não são utilizados uma vez que muito dificilmente se conseguem dopar
para se obterem junções .pn A Fig. 4.10 apresenta os espectros da luz emitida por alguns
LEDs usuais.
[ ]mADI
[ ]pWPφ
modo estático
modo pulsado
zona linear
1 10 100 1000
1000
100
10
1
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- Fig.4.10 -
Espectros de luz emitida por LEDs.
4.1.5 Rendimento
O rendimento é um dos parâmetros característicos dos LEDs. Definem-se vários tipos
de rendimento. A potência de emissão pode ser expressa, de forma aproximada, por
(4.1.8)
Em (4.1.8) Np representa o número de fotões emitidos na unidade de tempo, sendo
proporcional à corrente através do rendimento (ou eficiência) quântico externo
(4.1.9)
O rendimento quântico externo traduz deste modo a razão entre o número de fotões
emitidos para o exterior e o número de portadores que se recombinam. Como o mecanismo de
recombinação se processa longe da superfície do díodo emissor de luz, extη pode ser expresso
por
(4.1.10)
sendo
intη o rendimento quântico interno, dado pela razão entre o número de fotões
criados e o número de electrões recombinados num dado elemento de volume da
junção;
GaP
GaAs0,3P0,7
GaAs
P
λ (μ ) m
0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
φ
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4.10
Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
Tη o rendimento de transmissão, dado pela razão entre o número de fotões que
atingem a superfície do semicondutor e o número de fotões emitidos no elemento
de volume do mesmo;
Sη o rendimento da interface semicondutor-ar (Fig.4.11), dado pela razão entre o
número de fotões que escapam da superfície e o número de fotões que atingem a
superfície;
optη o rendimento óptico, dado pelo produto dos rendimentos de transmissão e de
interface.
- Fig.4.11 –
Interface semicondutor-ar.
As recombinações dos portadores injectados podem ser radiativas ou não. O rendimento
quântico interno é a relação entre o número de fotões criados na junção e número de
portadores que a atravessam. É dado por (2.3.3), ou seja pela razão entre o ritmo de
recombinação radiativa e o ritmo de recombinação total, desde que se admita um rendimento
de injecção unitário
(4.1.11)
Em (4.1.11), er nrτ τ representam os tempos de vida associados aos processos
radiativos e não radiativos, respectivamente.
Ar
Rθ
Semicondutor
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Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
O parâmetro intη corresponde assim ao rendimento quântico do material. Se o tempo
rτ for muito inferior ao tempo ,nrτ o rendimento quântico interno é praticamente unitário. Os
materiais semicondutores de banda directa apresentam valores de rτ muito baixos, sendo as
conservações de energia e de momento garantidas pelos fotões e pelos electrões (ou buracos).
A maioria dos materiais utilizados nos LEDs apresenta um rendimento quântico interno
praticamente unitário. O aumento da dopagem da zona p (zona que emite luz) numa
estrutura n p+ diminui o valor de ,rτ conduzindo, de acordo com (4.1.11), ao aumento do
valor de int .η No entanto, a eficiência de injecção nγ diminui com AN , podendo deixar de
ser próxima de 100%. Pode assim concluir-se que existe um valor para a concentração de
impurezas de substituição que optimiza o valor da eficiência quântica interna.
O índice de refracção do material apresenta um elevado valor (aproximadamente 3,5
para a maioria dos semicondutores), o que acarreta as seguintes consequências
A reflectividade associada à interface semicondutor-ar é elevada;
O ângulo de reflexão total tem um baixo valor.
Analisemos a influência desses dois factores no rendimento óptico. Para incidência
normal a reflectividade é dada por
(4.1.12)
Para os valores usuais nos semicondutores, obtém-se uma reflectividade na vizinhança
de 0,3, significando que cerca de 30% da radiação incidente na superfície de separação
semicondutor-ar é reabsorvida. Corresponde às perdas de Fresnel. Caso se utilize um
encapsulamento adequado essas perdas podem ser diminuídas. Nessas condições, em (4.1.12)
o índice de refracção do ar deve ser substituído pelo índice de refracção do encapsulamento
.ren Por exemplo, para valores de 1,5ren = obtém-se 0,16.R =
O ângulo de reflexão total é dado por
Θ sin (4.1.13)
o que, para os valores considerados, é de aproximadamente 16º. Nessas condições, podemos
admitir que o coeficiente de transmissão varia de 0 a 0,7 se 0 16º .R< θ < Consideremos o
ângulo sólido RΩ correspondente ao ângulo de reflexão total Rθ (Fig. 4.12).
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4.12
Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
( ) ( )2
2
0 0
Ω sin 2 1 cos 2 1 1 / 2R
R R Rd dθπ
⎡ ⎤= φ θ θ = π − θ ≅ π − − θ⎣ ⎦∫ ∫ (4.1.14)
Em (4.1.14) atendeu-se a que, para pequenos ângulos se verifica 2cos 1 / 2.R Rθ ≅ − θ
O rendimento óptico é dado por
ΩΩ
(4.1.15)
sendo 0Ω um valor dado para uma emissão isotrópica por
2
00 0
sin 4d dπ π
Ω = φ θ θ = π∫ ∫ (4.1.16)
Substituindo (4.1.16) em (4.1.15) obtemos
( )2 2
14 4R R
opt T Rθ θη = = − (4.1.17)
sendo eT R os valores médios de eT R para os ângulos de incidência entre 0 e .Rθ
Para uma incidência normal 2
11
r
r
nR Rn
⎛ ⎞−= = ⎜ ⎟+⎝ ⎠
, obtendo-se nessas condições
( )
22
21 11
4 1 1R r
optr r r
nn n n
⎡ ⎤⎛ ⎞θ −⎢ ⎥η = − ≅⎜ ⎟+ +⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (4.1.18)
- Fig.4.12 -
Ângulo sólido .RΩ
φ
Rθ
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4.13
Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
Em (4.1.18) atendeu-se a que para pequenos ângulos de incidência se verifica a relação
( ) 1sinR Rrn
θ ≅ θ = . Admitindo os valores típicos para os semicondutores, a equação (4.1.18)
conduz a valores para o rendimento óptico de opt 1%.η ≅ Este valor pode ser melhorado
utilizando um revestimento plástico transparente com um índice de refracção superior ao do
ar. A expressão (4.1.18) tomará assim a seguinte forma
22
1 14
p r popt
r r p
n n nn n n
−
+
⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎢ ⎥η = − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ (4.1.19)
Com 3,5 1,5r pn e n= = obtemos de (5.5.13) uma eficiência óptica opt 4%.η ≅
4.1.6 Eficiência quântica total
A eficiência quântica total é definida como a razão entre a energia luminosa emitida e a
energia eléctrica absorvida
( )p G
tot ext extD S D D
N hfP WhfP UI qU q R I U
φη = = = η = η+
(4.1.20)
Em (4.1.20) considerou-se GW hf≅ e uma resistência série SR para modelizar as
quedas de tensão nas zonas neutras da junção.
4.1.7 Responsividade
A responsividade é outro dos parâmetros característicos dos emissores. Relaciona a
potência óptica de emissão com a corrente eléctrica. Contrariamente à eficiência, é um
parâmetro com dimensões. Exprime-se usualmente em [μW/mA].
extD
P hfRI q
φ= = η (4.1.21)
De (4.1.20) e (4.1.21) obtemos a relação entre a responsividade e a eficiência quântica
total. É dada por
totR U= η (4.1.22)
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Nos LEDs a responsividade assume valores típicos na gama de valores 10-50 μW/mA.
De realçar que este parâmetro se mantém constante enquanto a relação ( )P DIφ for linear, o
que acontece para correntes tipicamente inferiores a 100 mA. Uma das razões para o
decaimento da responsividade prende-se com o aumento da temperatura, associado ao efeito
de Joule, que faz diminuir extη graças ao aumento dos ritmos de recombinação não radiativa.
É no fundo a mesma razão que justifica o facto de os LEDs estarem associados a menores
potências de emissão quando a temperatura de funcionamento aumenta (Fig. 4.13).
- Fig.4.13 -
Influência da temperatura na característica estacionária ( ).DP Iφ
4.1.8 Tempo de resposta
As aplicações dos LEDs estão associadas ao facto de estes permitirem a modulação do
sinal óptico emitido por variações da corrente injectada no díodo. A frequência de modulação
é, contudo, limitada pelas capacidades equivalentes das junções. Como estas se encontram
polarizadas directamente, assume particular importância a capacidade de difusão.
Consideremos a junção submetida a uma tensão do tipo
( ) ( ) ( )0 0 cosM uU t U u t U U t= + = + ω + φ (4.1.23)
A densidade de electrões na região neutra de tipo p tem uma variação em relação ao
valor de equilíbrio termodinâmico que é uma função do espaço e do tempo, ( ), .n x tΔ Na
aproximação unidimensional é dada por
( ) ( ) ( ) 0 1, Re j tn x t n x n x e ωΔ = Δ + Δ (4.1.24)
25º C
0ºC
( )mWPφ
( )mADI0 50 100 150
4
3
2
1
70ºC
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sendo ( ) ( )0 1en x n xΔ Δ as variações associadas à componente contínua e à componente
variável da concentração de electrões, respectivamente, escritas em notação simbólica. Sendo
portadores de minoria, e na hipótese de injecção fraca, são obtidas da equação da
continuidade em regime estacionário, admitindo difusão e recombinação e desprezando a
influência da deriva, ou seja
( ) ( )20 02 2 0
n
d n x n x
dx L
Δ Δ− = (4.1.25)
( ) ( )21 12 2 0
n
d n x n x
dx L
Δ Δ− = (4.1.26)
sendo nL o comprimento de difusão de electrões e nL um número complexo dado por
11
n n nn
nn
L DLjjτ
= =+ ωτ+ ωτ
(4.1.27)
A solução de (4.1.25) e (4.1.26) é da forma
( ) ( ) ( )exp / exp /i p i p in x A x x L B x x L⎡ ⎤ ⎡ ⎤Δ = − − + −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (4.1.28)
com i nL L= para 0i = (componente contínua) e i nL L= para 1i = (componente variável).
A densidade de corrente é dada por
( ) ( ) ( ) ( )0 10 1
pp
j tn p p n n p n p n
xx
d n d nJ J x J x J x J x qD edx dx
ω⎡ ⎤Δ Δ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥= + ≅ + = + ⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎝ ⎠⎣ ⎦
(4.1.29)
Em (4.1.29) desprezou-se a geração e a recombinação na região de transição e a
influência da densidade de corrente de buracos no valor da densidade de corrente total. A
densidade de corrente está modulada com uma frequência / 2f = ω π e tem uma amplitude
dada por
( ) ( ) ( )1 1n
n p pn
qDJ x J n xL
= Δ ω = − Δ (4.1.30)
O fluxo de fotões (número de fotões emitidos na unidade de área e na unidade de
tempo) é dado por
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( )00 1
ext extp p
j tph ph ph
n nx x
n nN dx e dx N N∞ ∞
ωΔ Δ= η + η = + ω
τ τ∫ ∫ (4.1.31)
Na equação (4.1.31) ( )phN ω está igualmente modulado com uma frequência
/ 2f = ω π e com uma amplitude dada por
( ) ( )1ext ext 1
p
nph p
n nx
LnN dx n x∞ Δ
ω = η = η Δτ τ∫ (4.1.32)
A resposta em frequência do LED é definida pela razão entre a taxa de modulação do
feixe emitido e a taxa de modulação da corrente eléctrica
( )( )
( )
2ext ext 1
1ph n
n n
N LRJ q L q j
Δ ω ⎛ ⎞η ηω = = =⎜ ⎟Δ ω + ωτ⎝ ⎠
(4.1.33)
A razão entre a variação do número de fotões e a variação da densidade de corrente que
lhe deu origem é dada pela amplitude de ( )R ω
( )( )
021 /
ph
c
N RRJ
Δ= ω =
Δ + ω ω (4.1.34)
Em (4.1.34), R0=ηext/q representa a amplitude de ( )R ω para baixas frequências e
1/c nω = τ é a frequência angular de corte.
De salientar que o resultado obtido, que mostra ser o módulo de ( )R ω independente do
comprimento da zona de recombinação, aplica-se às situações em que as zonas neutras são
extensas em relação aos comprimentos de difusão, como atrás referido.
Por um raciocínio idêntico, poder-se-ia mostrar facilmente ser também este o resultado
no caso da região neutra de tipo p terminar por uma superfície totalmente reflectora, ou seja,
com uma velocidade superficial de recombinação nula
( )
( )Δ0
Δn x
x x
NDSN x
∂= − =
∂ (4.1.35)
A frequência de corte de um LED é tanto maior quanto menores forem os tempos de
vida médio dos portadores. Entende-se assim que o aumento da concentração de impurezas de
substituição se revele vantajoso. No entanto, é preciso ter em atenção que a partir de um certo
valor (1024 m-3 no GaAs a 300K), o aumento da dopagem conduz a uma diminuição do
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rendimento quântico exterior, por fazer aumentar o ritmo das recombinações não radiativas.
Os tempos mínimos de vida médios são nos LEDs da ordem dos nanossegundos, significando
que estes emissores têm frequências de corte limitadas às centenas de MHz.
Como veremos na secção dedicada aos LASERs, a radiação estimulada está associada
a tempos de vida muito inferiores.
4.1.9 Estrutura de LEDs
Existem basicamente dois tipos de estruturas: os LEDs que emitem através de uma
superfície que é paralela à junção7 e os que emitem a partir dos limites da região da junção8.
Estão representados esquematicamente na Fig. 4.14.
- Fig.4.14 –
Estrutura de LEDs (a) Emissão em superfície; (b) Emissão a partir dos limites da junção (dimensões:
act cont3 ; 2 ; 0,05 ; 2 ; 70 ; 150 ; 65p P N nl m l m l m l m l m l m d m+ += μ = μ = μ = μ = μ = μ = μ
7 Surface-emitting, na designação anglo-saxónica. 8 Edge emitting, na designação anglo-saxónica.
fibra óptica contacto metálico
GaAsn −
AlGaAsN −
GaAsp −
AlGaAsP −
GaAsp+ −
( )a
contacto metálico
( )1-Al Ga As =0,4x xP x−
GaAs (substrato)n+ −
( )b
2SiO p+ -GaAs
( )1-Al Ga As 0, 4x xN x− − =
contacto metálico
d
( )1-Al Ga As =0,4x xN x−
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4.18
Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
Podem utilizar homojunções pn ou hetero-estruturas constituídas pela região activa
localizada entre duas bainhas, uma do tipo n e outra do tipo p. Neste último caso obtêm-se
melhores desempenhos do dispositivo, graças a um maior controlo da área emissiva e a um
melhor confinamento dos portadores à região activa.
A estrutura dos LEDS depende das aplicações. Estas podem ser muito variadas,
designadamente: lâmpadas indicadoras, algarismos feitos de segmentos, leitores de fitas e
cartões, comunicações por fibra óptica, constituintes de acopladores ópticos, etc. No caso de
lâmpadas indicadoras, a emissão de determinada cor condiciona a escolha do material
(Fig.4.15).
- Fig.4.15 -
Estrutura interna de um LED que emite no comprimento de onda do laranja
A superfície emissora deverá ter a dimensão adequada para o efeito, o que condiciona o
encapsulamento. Este tem como finalidades: (i) a protecção da estrutura e dos fios de ligação;
(ii) o aumento da eficiência óptica e (iii) o controlo da distribuição espacial da radiação
emitida. Uma forma típica de encapsulamento está representada de forma esquemática na
Fig. 4.16.
Camadas de adaptação
substrato
Zona activa
Contacto metálico
Contacto metálico
GaAs0,35P0,6
5
GaP
GaAsxP1-x
n
p
n
0<x<0,35
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4.19
Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
- Fig.4.16 - Encapsulamento.
No caso de foto-acopladores ou acopladores ópticos existe um encapsulamento único
para o detector, usualmente um fototransistor de Si, e para o LED, com um espectro
compatível com o do Si, como por exemplo o GaAs (Fig. 4.17). Os dois circuitos estão
isolados galvanicamente, evitando-se deste modo a transferência de ruído. Têm como
aplicação a transmissão de sinais ópticos de elevado débito.
Na comunicação óptica, os LEDs utilizam-se especialmente nos comprimentos de onda
de 1,3 e 1,55 [μm], onde as fibras ópticas apresentam mínimos de dispersão e de perdas. A
estrutura mais vulgarmente utilizada é a do tipo emissão em superfície (Fig. 4.14a), uma vez
que a superfície emissora do dispositivo está reduzida a uma pequena região cujas dimensões
laterais são compatíveis com as dimensões do núcleo da fibra, garantindo uma boa adaptação
emissor-fibra.
A elevada largura de banda dos sinais emitidos pelos LEDs quando comparada com a
dos LASERs, obriga a que no caso dos LEDs se utilizem preferencialmente materiais que
emitam na vizinhança do 1,3 [μm].
resina
eléctrodo
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Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
- Fig.4.17 - Comparação das respostas espectrais do olho humano, de um fototransistor de Si e de um LED de GaAs
Em todas as aplicações, os LEDs impõem a utilização de materiais obtidos por técnicas
de fabrico que garantam boas condições cristalográficas. Usualmente utilizam-se técnicas de
fabrico por crescimento epitaxial, por ser maior o controlo assim obtido. Finalmente, na tabela
4.1 podem ver-se os LEDS comercializados mais correntes e as suas principais características.
LEDs que emitem na faixa verde-amarelada do espectro visível obtêm-se por dopagem com
azoto do ( )1GaAs P 0, 45x x x− > ; LEDs a emitir no azul são obtidos recorrendo ao sulfureto de
zinco (ZnS) ou ao carbureto de silício (SiC). Estes últimos são, no entanto, mais caros.
São valores típicos para os LEDs:
Emissão de pico: 636 nm (vermelho), 585 nm (amarelo), 565 nm (verde);
Correntes DC : 5 a 40 mA, sendo típicos valores de 10 mA. Os LEDs que emitem no
verde e no amarelo requerem usualmente mais corrente do que os LEDs que emitem
no vermelho;
Tensões de polarização: aproximadamente 2V
Intensidade luminosa: 32 5 10 mcd−− × (milicandela). Este valor deve ser ponderado
pela resposta do olho humano ( )V λ , o que conduz, quando se pretende a mesma
impressão visual, a valores bem mais elevados de energia a radiar quando se usam os
extremos do espectro visível9;
9 Para um espectro contínuo 680 onde e são os limites do espectro do visível; para
uma radiação monocromática 680 .
Olho humano Fonte de tungsténio a 2870
Fototransistor de Si
LED de GaAs
400 500 600 700 800 900 1000 1100 nm
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Optoelectrónica Aplicada Capítulo 4
Ângulos de visão: 30 a 90º. O encapsulamento transparente actua como lente. Alto
brilho a correntes menores podem ser obtidos em versões que concentram a emissão
em intervalos mais pequenos para este parâmetro.
Tabela 4.1
Material
Pico de emissão
[μm]
Cor extη
(%)
GaAs (Si)
1 IV 10
GaAs(Zn)
0,9 IV 0,1
GaP(Zn,O)
0,699 Vermelho 4
GaAs0,6P0,4(Te)/GaAs
0,649 Vermelho 0,2
GaAs0,35P0,65(S,N)/GaP
0,632 Laranja 0,2
GaP(N,N)
0,59 Amarelo 0,1
GaAs0,15P0,85(S,N)/GaP
0,589 Amarelo 0,05
GaP(N)
0,57 Verde 0,1
Os LEDS apresentam como vantagens: tempos de resposta muito baixos (permitindo a
modulação do fluxo emitido até frequências muito elevadas) e grandes fiabilidade e robustez.
Como desvantagens são de assinalar: um fluxo muito fraco (100 mW), grande sensibilidade à
temperatura, e espectros de emissão muito largos. Esta última característica é fortemente
limitadora no que toca ao ritmo de emissão nos sistemas de comunicação óptica, sendo os
LEDs preteridos em favor das fontes de luz ditas coerentes, vulgarmente designadas pelo
acrónimo LASER (na designação anglo-saxónica, Light Amplifiction by Stimulated Emission
of Radiation).