Introduzione all’optoelettronica.Studio dei processi che stanno alla base del funzionamento di laser, led

e celle fotovoltaiche.

Capitolo 4Interazione fra la luce e i

semiconduttoriIn questa parte tratteremo il cuore dell’unità didattica. Infatti, dopo esserci costruiti

tutti i mattoncini, passeremo alla descrizione vera e propria dei dispositivi optoelettronici.Vogliamo trovare un modello per capire come interagisce la luce con i materiali semi-

conduttori. Nel cercare di fare questo, dobbiamo tenere in considerazione quanto vistofinora.

Da un lato, dobbiamo ricordare che possiamo interpretare la luce come un insieme difotoni, caratterizzati ciascuno da una propria lunghezza d’onda λ (che abbiamo visto esserelegata alla frequenza dalla relazione ν = cλ) e da un’energia E = hν.

D’altro canto, dobbiamo ricordare la distribuzione energetica discreta all’interno deisemiconduttori, caratterizzata da bande di energia ammessa separate da bande di energiaproibita.

Come si può intuire, potremmo ottenere dei fenomeni interessanti studiando l’intera-zione fra fotoni con energia hν simile all’energia del gap Eg del semiconduttore con cuivanno ad interagire. In particolare possiamo avere tre diversi processi, che stanno alla ba-se del funzionamento di moltissimi importantissimi dispositivi, che sono l’assorbimento,l’emissione spontanea e l’emissione stimolata.

1 Processi di assorbimento

Facendo interagire un fotone con energia hν con un semiconduttore con energia del gap Eg

tale per cui hν > Eg, può succedere che il fotone venga assorbito. In seguito all’assorbi-mento non avremo più il fotone, e la sua energia sarà servita per promuovere un elettroneche dalla banda di valenza sarà passato in banda di conduzione. In questo modo avremoportato un elettrone in banda di conduzione, che sarà quindi in grado di muoversi. Allostesso tempo avremo lasciato un posto libero in banda di valenza, e dunque avremo creatouna lacuna anch’essa in grado di muoversi. Perciò, con il processo di assorbimento siamoin grado di convertire un fotone in una coppia elettrone-lacuna, come mostrato infigura 1.

Applicando un campo elettrico esterno, possiamo fare in modo che la coppia elettrone-lacuna si muova verso gli estremi del semiconduttore (corrente di deriva). Pertanto, facendocollidere dei fotoni (luce) su di un semiconduttore andiamo a misurare delle cariche inmovimento, e quindi una corrente. Siamo dunque riusciti a convertire l’energia del fotonein una coppia elettrone-lacuna, che possiamo misurare attraverso la misurazione di unacorrente elettrica.

Evidentemente, a seconda del materiale che stiamo utilizzando, potremo assorbire fo-toni di diverso tipo. Infatti per essere assorbito il fotone deve avere un’energia almeno paria quella del gap, in maniera che possa fornire all’elettrone l’energia sufficiente per passare

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Figura 1: Processo di assorbimento. Un fotone di energia hν superiore all’energia del gapincide sul materiale (a). Questo fotone viene assorbito (b), eccitando una coppia elettronelacuna (c).

in banda di conduzione. Pertanto materiali caratterizzati da una piccola energia di gappotranno assorbire anche fotoni con una piccola energia, mentre materiali con una energiadi gap più grande potranno assorbire solamente fotoni più energetici.

Per esempio, il silicio (che ha energia del gap pari a 1.1eV) potrà assorbire solamentefotoni con energia superiore a 1.1eV. Ricordando la relazione che lega energia e lunghezzad’onda, si può ricavare che questa energia corrisponde a una lunghezza d’onda di 1.1µm.Dal momento che energia e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali, ciò significache sarà possibile assorbire fotoni con lunghezza d’onda inferiore a 1.1µm. Dunque, il silicioè un buon assorbitore di luce visibile.

Il germanio, avendo un’energia del gap inferiore (0.7eV), potrà assorbire anche fotonicon energia più bassa, e quindi con lunghezza d’onda maggiore. Infatti, il germanio è unbuon assorbitore anche nell’infrarosso.

Questo meccanismo sta alla base del funzionamento di diversi dispositivi tecnologici,che ora andremo a trattare più nel dettaglio.

1.1 Fotocamere digitali

Un primo esempio di questi dispositivi sono i rilevatori presenti in tutte le modernefotocamere digitali, che sono costituiti da un enorme numero di pixel (basti considerareche 1 Mega-pixel corrisponde ad 1 milione di pixel, e le fotocamere più moderne arrivanofino anche a 50 Mega-pixel). Ciascun pixel è formato da tre rilevatori di fotoni, ciascuno deiquali è costruito allo scopo di raccogliere la luce rossa, verde o blu. Se la luce arriva su unrilevatore, viene generata una coppia elettrone-lacuna e quindi una corrente. Analizzandole correnti che vengono generate in ciascun rilevatore della fotocamera e il colore della luceche le ha generate, si è in grado di ricostruire l’immagine.

Per ottenere un sensore capace di raccogliere soltanto fotoni di un determinato coloresi può operare in diversi modi:

• si possono utilizzare semiconduttori diversi, ciascuno dei quali capace di raccoglieresolo fotoni al di sopra di una certa energia (e quindi solamente alcuni colori);

• si possono utilizzare rilevatori dello stesso tipo, ciascuno dei quali coperto da un filtroche lasci passare solamente la luce di un determinato colore.

1.2 Celle fotovoltaiche

Un altro dispositivo tecnologico che sfrutta il processo di assorbimento sono le celle fo-tovoltaiche. Infatti, in seguito all’assorbimento di un fotone (la luce che proviene dal

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Figura 2: Tipico sensore di una fotocamera digitale costruito con la tecnologia CCD (a) eschema dei pixel che lo costituiscono (b).

sole) si genera una coppia elettrone lacuna, e dunque una corrente elettrica che può esseresfruttata.

Tipicamente, al giorno d’oggi le celle fotovoltaiche sono fatte in silicio, un semicon-duttore dal costo relativamente basso ma caratterizzato anche da una efficienza piuttostolimitata. Infatti, con i pannelli fotovoltaici attualmente in commercio soltanto il 15-20%dell’energia disponibile viene effettivamente convertita in energia elettrica. Il rimanente80-85% di energia viene perso mediante diversi meccanismi, fra i quali ne possiamo citarealcuni.

• Il mancato assorbimento: il fotone passa indenne attraverso il materiale, senzavenire assorbito.

• La ricombinazione dell’elettrone e della lacuna: l’elettrone eccitato può ritornarein banda di valenza, emettendo un fotone uguale a quello precedentemente assorbito.

In ambito di ricerca questo rimane dunque un ambito apertissimo, con l’obiettivo ultimodi riuscire a costruire pannelli fotovoltaici sempre più efficienti, duraturi ed economici.

Figura 3: Tipico pannello fotovoltaico, costituito da celle fotovoltaiche in silicio.

2 Processi di emissione spontanea

Un altro processo piuttosto interessante che ha a che fare con l’interazione fra la luce e unsemiconduttore è quello dell’emissione spontanea.

Immaginiamo di aver prodotto (in qualche modo che per ora non ci interessa) una coppiaelettrone-lacuna. Evidentemente, l’elettrone potrà rilassare tornando il banda di valenzae ricombinandosi con la lacuna. L’energia che l’elettrone avrà perso potrà essere rilasciata

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sotto forma di un fotone, che avrà energia pari all’energia del gap di quel semiconduttore(infatti, l’elettrone avrà perso l’energia che separa la banda di conduzione da quella divalenza, che per definizione è proprio l’energia del gap). Questo processo è mostratograficamente in figura 4.

Figura 4: Processo di emissione spontanea. Nella situazione iniziale (a) abbiamo unacoppia elettrone lacuna. L’elettrone si ricombina con la lacuna (b) emettendo un fotone dienergia hν = Eg (c).

Sembrerebbe dunque un meccanismo piuttosto interessante: se in qualche modo riuscis-simo a portare tanti elettroni in banda di conduzione, questi potranno rilassare in bandadi valenza ricombinandosi con le rispettive lacune ed emettendo ciascuno un fotone. Inquesto modo, avremmo costruito un dispositivo in grado di generare luce. Ma a questopunto possiamo farci una domanda: come è possibile avere un gran numero di elettroniin banda di conduzione e un gran numero di lacune in banda di valenza, in modo che sipossano ricombinare emettendo luce?

Un metodo interessante è quello di utilizzare una giunzione pn polarizzata in di-retta. In questo modo, per quanto visto in precedenza, andremo ad iniettare elettronidal lato n al lato p e ad iniettare lacune dal lato p al lato n. In altri termini, quel chefacciamo è iniettare cariche minoritarie. Infatti, andiamo a iniettare elettroni sul lato p, ecioè laddove abbiamo un eccesso lacune (infatti, in un semiconduttore drogato p le carichemaggioritarie sono le lacune). Allo stesso modo, iniettando lacune sul lato n, stiamo an-dando ad inserire cariche positive laddove avevamo un eccesso di carica negativa. In questomodo, laddove c’erano tante lacune (lato p) andiamo ad inserire elettroni, e laddove ave-vamo tanti elettroni (lato n) andiamo ad inserire lacune. Perciò, sia sul lato n sia sul latop avremo la possibilità di avere molte coppie elettrone lacuna che ricombinano, emettendoi fotoni desiderati.

Questo dispositivo prende il nome di LED (Light Emitting Diode).Evidentemente, i fotoni emessi avranno un’energia minima che è almeno pari all’energia

del gap del semiconduttore. Quindi, scegliendo un certo semiconduttore piuttosto che unaltro, andiamo a scegliere un semiconduttore capace di generare fotoni con una certa energiaminima.

È evidente che in ogni caso i fotoni generati non potranno avere anche un’energia troppogrande. Infatti, perché questo avvenga sarebbe necessario avere una ricombinazione fra unalacuna e un elettrone che si trova molto in alto in banda di conduzione, ma questo è moltoimprobabile. Pertanto, i fotoni emessi hanno un’energia minima data dall’energia del gap,ma è anche piuttosto improbabile che la loro energia sia molto superiore all’energia del gap.Dunque i valori di energia che i fotoni emessi possono avere sono compresi in un intervallopiuttosto limitato.

Quindi, scegliendo un particolare semiconduttore andiamo a costruire un LED cheemetterà fotoni con una particolare energia, quindi con una particolare lunghezza d’onda

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e perciò, se questi fotoni sono visibili, con un particolare colore. In tabella 1 è riportato ilcolore della luce emessa dal LED costruiti con diversi semiconduttori.

Materiale ColoreAlGaAs rosso ed infrarossoGaAlP verdeGaAsP rosso, rosso-arancione, arancione, e gialloGaN verde e bluGaP rosso, giallo e verdeZnSe bluInGaN - blu-verde, bluInGaAlP rosso-arancione, arancione, giallo e verdeDiamante (C) ultravioletto

Tabella 1: Colore della luce emessa da LED costruiti con diversi semiconduttori.

Anche in questi dispositivi, non tutta l’energia elettrica che iniettiamo polarizzando lagiunzione viene convertita il luce. In particolare, i LED oggi sul mercato hanno un’efficienzaintorno al 15%, e quindi anche questo è un campo di ricerca molto ampio che promette diavere notevoli sviluppi futuri.

2.1 Illuminazione a LED

Un ambito nel quale i LED stanno avendo un impiego sempre più massiccio è quellodell’illuminazione.

Fino a qualche tempo fa, l’illuminazione nelle nostre abitazioni avveniva mediantel’impiego di due principali tipologie di lampada.

1. Lampade ad incandescenza. Si tratta del dispositivo di illuminazione elettricapiù rudimentale. Viene fatta scorrere della corrente attraverso un filamento metallico(tipicamente tungsteno), che si scalda ed emette fotoni. Il valore aggiunto di questometodo di illuminazione sta essenzialmente nel basso costo di produzione, ma offreanche notevoli svantaggi fra cui la breve durata (circa 1000 ore) e la bassa efficien-za. Si pensi che soltanto l’8% dell’energia elettrica sfruttata viene convertita il lucevisibile, mentre più del 70% viene emesso come radiazione infrarossa (e quindi nonvisibile all’occhio umano) e la restante parte viene emessa sotto forma di calore.

2. Lampade a scarica. In questi dispositivi, vengono lanciate delle scariche elettricheall’interno di un gas, che si eccita. Una volta eccitato il gas può diseccitarsi emet-tendo dei fotoni, e quindi luce. Su questo principio funzionano le lampade al neon,allo xenon, al sodio, e di innumerevoli altri tipi che sono tuttora molto impiegate.L’aspetto positivo di questi metodi di illuminazione sta nella loro efficienza (attornoal 20%) e nella loro durata. Presentano tuttavia alcuni aspetti negativi, fra cui lapresenza al proprio interno di materiali tossici (come il mercurio) e la loro dimensione(costruire lampade piccole diviene molto costoso).

L’impiego di lampade a LED risolve parecchi dei problemi che caratterizzavano questimetodi di illuminazione. Rispetto alle lampade ad incandescenza, offrono una duratanotevole (fino a 50000 ore) ed un efficienza che, come accennato, oggigiorno può variaredal 15 al 25%. Rispetto alle lampade a scarica invece offrono una maggiore sicurezza (nonsono impiegati materiali tossici) e la possibilità di costruire lampadine di ogni forma edimensione.

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Figura 5: Lampadina a incandescenza (a sinistra) e a scarica ( a destra).

Figura 6: Singoli LED di vari colori(a sinistra), lampadina a LED (al centro) e modernastriscia a LED (a destra).

Un aspetto che in passato ha rallentato l’impiego dei LED nell’ambito dell’illuminazioneè stata l’incapacità di produrre LED che emettessero luce bianca. La luce bianca infattiè costituita da fotoni con diverse lunghezza d’onda (fotoni verdi, fotoni blu, fotoni rossi).I LED, come abbiamo visto, emettono fotoni in un limitato range di lunghezza d’onda.Quindi non è possibile utilizzare un singolo LED per produrre luce bianca. Questo scopoè stato raggiunto dapprima ponendo vicini LED di diverso colore in maniera da produrrenel complesso luce bianca. In seguito, si è passati a ricoprire il LED con strati fluorescenti,in grado di assorbire la luce di un determinato colore ed emettere luce bianca.

Un altro aspetto che ancora oggi limita l’espansione del mercato dell’illuminazionea LED è determinato dal costo piuttosto elevato. Tuttavia, con la sempre maggiorepenetrazione nel mercato, anche questa barriera sta venendo superata.

2.2 Monitor a LED

Un mercato molto importante in cui sono impiegati al giorno d’oggi i LED è quello deimonitor. In questi dispositivi, a differenza di quanto evidenziato per l’illuminazione, è ne-cessario avere LED capaci di emettere su un’unica lunghezza d’onda, e quindi con un coloreben preciso. In questo modo infatti è possibile produrre monitor dall’elevata risoluzione enitidezza del colore.

3 Processi di emissione stimolata

Un terzo processo interessante che si può produrre utilizzando i semiconduttori è quellodell’emissione stimolata, processo che sta alla base del funzionamento dei LASER.

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Figura 7: Monitor a LED (a sinistra) e a OLED (a destra), che sfrutta la modernissimatecnologia che utilizza materiali organici e permette di costruire schermi sottilissimi emaneggevoli.

Per avere emissione stimolata, come nel caso dei LED, occorre avere almeno un elettronein banda di conduzione ed una lacuna in banda di valenza. In questo modo, se arriva unfotone con energia almeno pari a quella dell’energia del gap, può succedere che questofotone stimoli la ricombinazione fra l’elettrone e la lacuna, con la conseguente emissionedi un altro fotone.

Questo fotone avrà la stessa energia (stesso colore) del fotone che ha stimolato l’emis-sione. Pertanto, quando si tratta di processi di emissione stimolata, la situazione inizialeconsiste in un fotone ed una coppia elettrone lacuna, mentre la situazione finale consiste indue fotoni. In questo modo dunque si è riusciti ad amplificare il flusso di fotoni in ingresso:da un fotone siamo passati a due fotoni. Questo processo è mostrato graficamente in figura8.

Figura 8: Processo di emissione stimolata. Nella situazione iniziale (a) abbiamo una coppiaelettrone lacuna ed un fotone incidente. Il fotone incidente stimola la ricombinazionedell’elettrone con la lacuna (b) e vengono emessi due fotone di energia pari all’energia delfotone incidente (c).

L’idea che sta dietro ai LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Ra-diation) è proprio questa: utilizzare l’emissione stimolata per amplificare un fascio difotoni.

I laser sono caratterizzati da alcune importanti proprietà, che fanno sì che il loro impiegosia molto rilevante in moltissimi ambiti.

1. Direzionalità. A differenza delle sorgenti luminose tradizionali (fra cui anche iLED) i LASER consentono di emettere la radiazione in una direzione molto bendeterminata. Questo aspetto viene sfruttato in moltissimi ambiti, poiché consentedi avere una forte precisione. Per esempio, i laser vengono impiegati per leggere escrivere i CD.

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Figura 9: LASER impiegato nella scrittura di un CD (a sinstra), puntatori LASER (alcentro) e impiego industriale dei LASER per tagliare i metalli (a destra).

2. Monocromaticità. I fotoni emessi da un laser hanno tutti pressoché la medesimalunghezza d’onda. Infatti la larghezza di banda (ovvero la differenza media di lun-ghezza d’onda fra i fotoni emessi) è molto piccola, molto inferiore anche rispetto allaluce LED. Questo aspetto è molto importante nell’ambito delle telecomunicazioniottiche, in cui i segnali vengono inviati sotto forma di implusi luminosi che devonoavere una lunghezza d’onda molto ben determinata.

3. Brillanza. Nei laser la quantità di energia emessa per unità di angolo è moltosuperiore a quella emessa da altre sorgenti. Per questo è comodo utilizzare i laserladdove sia richiesto l’impiego di moltissima energia in un unico punto, come peresempio il taglio dei metalli.

4. Implusi ultra-brevi. È possibile costruire laser che emettano luce in tempi estre-mamente brevi: attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dell’ordine del femto-secondo (10−15 secondi). Questi laser hanno trovato impieghi in diversi ambiti; peresempio hanno consentito la nascita di una nuova disciplina, la femtochimica, chestudia ciò che succede in una reazione chimica in intervalli di tempo nell’ordine deifemtosecondi.

Queste caratteristiche differenziano i LASER da tutte le altre tradizionali sorgenti diluce, e per questo negli ambiti in cui siano richieste proprietà come quelle appena elencatespesso i LASER costituiscono l’unico dispositivo che è possibile utilizzare.

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