Junção p-n BC BV EdEd tipo – n BC BV EaEa tipo – p

Junção p-n

BC

BV

Ed

tipo – n

BC

BV

Ea

tipo – p

BC

BV

Ed

tipo – n

BC

BV

Ea

tipo – p

Difusão de elétrons para o lado p e de buracos para o lado n

BC

BV

+

tipo – n

BC

BV

-

-

tipo – p

+

e

Região de cargas fixas

Fluxo de e

Fluxo de b

Surgimento de um campo elétrico intrínseco

BC

BV

+

tipo – n

BC

BV

-

--

-

tipo – p

+++

e

Região de cargas fixas

Aumento do campo elétrico intrínseco

BC

BV

+

tipo – n

BC

BV

-

--

-

tipo – p

+++

e

Região de cargas fixas

Cargas negativas

fixas

Cargas positivas

fixas

Equilíbrio

DifusãoX

Deriva

BC

BV

+

tipo – n

BC

BV

-

--

-

tipo – p

+++

e

V(x)

x

Região neutra p Região neutra nCargas

negativasfixas

Cargas positivas

fixas

Região de depleção

tipo – n

BC

BV

tipo – pe

Região neutra p

Região neutra n

eV0

EF

BC

BV

e

eV0

tipo – p tipo – n

Portadores majoritáriosPortadores minoritários

Corrente de arraste: ia *

Excitação térmica

Corrente de difusão: id *(possuem energia para superar a barreira)

* Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!

Junção p-n com aplicação de potencial

BC

BV

e

eV0

tipo – p tipo – n

Portadores majoritáriosPortadores minoritários

Corrente de arraste: iaCorrente de difusão: id

Excitação térmica

Corrente de arraste: barreira eV0 não influi

Corrente de difusão: barreira eV0 influi muito

BC

BV

e

eV

tipo – p tipo – n

Corrente de arraste: ia

-+Polarização direta

Corrente de difusão: id

Aumento da corrente de difusão

Potencial diminui

Diminuição da região de depleção e do campo elétrico intrinseco

Corrente medida

BC

BV

e

eV

tipo – ptipo – n

Corrente de arraste: ia

+-Polarização reversa

Corrente de difusão: id

Diminuição da corrente de difusão

Potencial aumenta

Aumento da região de depleção e do campo elétrico intrinseco

Corrente medida

Curva característica de um diodo

V

i

Polarização reversa

Polarização direta

BC

BV

e

eV

tipo – p tipo – n

+-Polarização reversa

Corrente medida

Região ativa de um dispositivo: onde

geralmente estão as nanoestruturas

Device Applications

Quantum dots were expected to lead to devices with better performance.In some cases this is already a reality.

• Quantum dot lasers

• LEDs

• 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 mm on GaAs substrates.

Two approaches: a) low growth rates → large and uniform dots but with low density, which implies in low gain.

b) D-well structures → growth of InAs dots on InGaAs reduces the energy and increases the density.

19 A cm-2

Park et al 2000

17 A cm-2

(300 K)Sellers et al 2004

Future challenge reach 1.55 mm:

a) introduction of N to lower the gap.b) move to InP substrates (smaller mismatch).

Quantum dot laser

5 times

LEDs

Leds

Safira

GaN

Quantum Dot (Mid-) Infra- red Photodetector (QDIP)

Applications of QDIPs for the 2-20 mm range:

TelecommunicationDetection of toxic gasesNight visionImagingEnvironment MonitoringMedicine

(l mm)

E (eV)

E = hc/l = 1.24 /l (mm.eV)

1.010.0100.0 0.1 0.01

1.240.1240.0124 12.4 124

Espectro Eletromagnético

70

0 n

m

40

0 n

m

Detecção Infravermelha

Lei de Wienlp T = 2898 mm.K

300 K ≈ 10 mm

700 K

Turbina:

Contramedida:

2000 K ≈ 1 mm

≈ 4 mm

LWIRMWIR

SWIR

Faixas do Infravermelho

Imageamento infravermelho: segurança industrial

Telecomunicações – Free spaceJanela óptica em 10 mm

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-bandaHgxCd1-xTe

Características:

• Baixa homogeneidade• Lentos• Pouco resistentes mecanicamente

BV

BC

Tecnologias para detecção no infravermelho

3) Família III-V: absorção óptica banda-banda

Vantagem:

Tecnologia mais desenvolvida

Desvantagem:

Não é possível atingir comprimentos de onda acima de 6 mm

Materiais: InGaAs, InSb etc

BV

BC

Tecnologias para detecção no infravermelho

3) QWIPs (quantum well infrared photodetectors): absorção óptica intrabanda.

Vantagem:

Absorção mais seletiva

Desvantagem:

Não acopla radiação com incidência normal

E2 – E1

BChn

BV

Seletividade dos QWIPs

109

1010

1011

Limites teóricos

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-WellIn

P

InG

aAs

InA

s

124 meV

200 Å 200 Å85 ÅQW QD

InP

En

erg

ia

Posição

BC

InP

InGaAs QW

QD

Cre

scim

ento

Processamento de dispositivos

Caracterização de QWIPs

40

50

60

Caracterização dos dispositivos QDIPs

5 10 150

5

10

15

20

25

sample 996

5 K

20 K

40 K

60 K

80 K

100 K

120 K

Photo

curr

ent

(arb

. u.)

wavelength (µm) 0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

sample 990

ph

oto

curr

ent

(arb

. u.)

wavelength (µm)

5K 30mV 5K 5mV 5K -5mV

0 5 10 15 20 25

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

120 K

100 K

40 K

60 K

5 K

20 K

80 K

sample 997

Photo

curr

ent

(arb

. u.)

wavelength (m)3 4 5 6 7 8

45° p-polarization

45° s-polarization

45° unpolarized

normal incidence

Ph

oto

cu

rren

t in

ten

sit

y (

arb

. u

.)

wavelength (µm)

780

Pontos quânticos para transistor de um único

elétron e para emissão de fótons um a um

Transistor de elétron único

GaAs/AlGaAsH.W. Schumacher

(1999)Hannover,Germany

100 x 200 nm2

Baseia-se no efeito de tunelamento quântico

Lembrando o funcionamento do MOSFET

metalisolante

semicondutorEF

EFEF

EFs

EFs

EFs

Camada de inversão

Canal de condução é induzido

Using lateral confinement induced by an electric field

Single Dot Devices

Single photon emitters for cryptography:

• Emission wavelengths of In(Ga)As dots match the transmission wavelengths of optical fibers.

• Electrical trigger is possible with a pin structure.

• Radiative lifetime of 1 ns allows for data transmission rates between 10 and 100 MHz.

• Dots can be incorporated into micro-resonators for high efficiency photon extraction.

Quantum information processing• Uses two states of the quantum dots.• Long coherence times.• Ultrafast optical addressing.• Compatibility with standard electronics.

Guimaraes 2005

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 ofVolume 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).

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