Semicondutores: - Transistor Laser

Transistor Laser

13-02-2014

Por : Luís Timóteo

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Transistor Laser
História
A equipa creditada com a descoberta do transistor laser
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Vantagens e Desvantagens dos Transistores laser
Vantagens
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Transistor Laser
Conclusões:
Para a compreensão do funcionamento de um transistor v...
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  1. 1. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 1
  2. 2. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser História A equipa creditada com a descoberta do transistor laser de foi liderada por Milton Feng e Nick Holonyak Jr. Inventor do LED encarnado em 1962, na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. A investigação sobre o transistor laser surgiu depois de Feng e Holonyak terem criado o primeiro transistor de saída de luz, em 2004. Feng e a sua equipa, em seguida, modificaram o transistor de emissão de luz para focar a saída de luz, num feixe laser.. Decidiram tentar usar transistores á base fosfeto de Índio e de arsenieto Índio – gálio, o mesmo tipo de composto usado hoje nos diodos emissores de luz (LEDs) e diodos laser. Luz foi detectada na base do transistor e a criação do transistor laser tinha ocorrido. O transistor laser combina as funções de um transistor e um laser, através da conversão de sinais eléctricos de entrada em dois sinais de saída, um eléctrico e um óptico. Fotões para o sinal óptico, são gerados quando electrões e buracos se recombinam na base, uma característica intrínseca dos transistores. 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 2
  3. 3. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Estrutura IE(t) Os compostos semicondutores do transistor laser h são: arsenieto de gálio (GaAs) e fosfeto de índiogálio-(InGaP), compostos da área III-VI (da tabela periódica). GaAs e InGaP são materiais de bandgap directo, um electrão que seja excitado na banda de condução (BC), pode facilmente cair de volta para a banda de valência (BV), através da emissão de um fotão, cuja energia corresponde à energia bandgap. Assim, estes materiais estarão prontamente aptos para produzir novos fotões (luz) .... LE IB(t) REX CE LB DE I’E N1 RB ISP Bspon ISTIM N2 DC  I’E RBX dISP / dt RP CP IC(t) SP CBCiCBCX LC DCX RCX RC À primeira vista, o transistor laser parece desafiar a lei das correntes de Kirchhoff, que afirmam que uma carga que entra num nó deve sair dele (conservação de carga). Num transistor típico, IEmissor = IBase + IColector, mas com o transistor laser, a equação precisa de um termo adicional para a conservação de energia, ISTIM, o que representa uma corrente de base com carga adicional para a continuidade dos fotões e conservação de energia… O transistor, que foi criado produz um sinal eléctrico e um feixe laser, que podem ser modulados de modo a enviar um sinal óptico com uma taxa de 10.000.000.000 bits por segundo. 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 3
  4. 4. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Estrutura Colector Emissor EC IE Base e- QW IC QW h IB H+ Emissor-n Base-p 13-02-2014 Ev Colector-n Por : Luís Timóteo 4
  5. 5. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Estrutura Arsenieto Alumínio-Gálio Fosforeto Índio-Gálio IE(t) h LE IB(t) REX CE LB DE RB I’E ISP Bspon N1 N2  I’E dISP / dt RP CP IS//M DC RBX IC(t) SP CBCiCBCX DCX LC RCX RC 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 5
  6. 6. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Encapsulamento Poço quântico (QW) 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 6
  7. 7. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Funcionamento Ao se modificar a região de base com poços quânticos e a configuração ressonante, mudou-se a operação do transistor de emissão espontânea para emissão estimulada. O processo de recombinação alterado do transistor muda as características do dispositivo, dando limiar perto de laser. O poço quântico no transistor laser actua como um centro de recombinação que controla o fluxo de cargas do Emissor para o Colector. O poço quântico (QW), recebe electrões a partir da Base, quando eles se movem do Emissor (entrada) para o Colector (saída), "prendendo" portanto, os electrões em níveis de energia, quantizados. Este processo reduz o ganho de corrente do transistor em cerca de 90%, mas a recombinação de electrões e lacunas é aumentada, aumentando assim a produção de fotões, aumentando assim a intensidade da luz emitida a partir da base, assim como o sinal eléctrico do Colector… 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 7
  8. 8. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Cavidade ressonante Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Funcionamento Para transformar esta luz num feixe laser, as faces do transistor são modificadas: O cristal é cortado para tornar as extremidades opostas da região de recombinação, reflectora, criando uma cavidade de ressonância, de modo que os fotões saltam em vai e vem entre os reflectores estimulando a emissão de fotões adicionais que estão em fase com os outros gerados na região. Quando o transistor emissor de luz começa a funcionar como um laser, num comprimento de onda próximo do infravermelho, de 1006 nm, o sinal espontâneo reflectido pelas faces clivadas do cristal, altera para um sinal dirigido intenso - um raio laser coerente, que pode ser comutado 10 biliões de vezes por segundo. O ponto em que o efeito laser começa (emissão de radiação coerente), chamado de limiar de laser, depende de vários fatores, incluindo a corrente e temperatura ambiente. E só recentemente a tecnologia evoluiu de tal forma para podermos operar transistores lasers á temperatura ambiente - tornando-os possíveis para o uso comercial… 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 8
  9. 9. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) A tensão na junção Base-Emissor, injecta electrões para a base. Funcionamento No poço quântico, mais eletrões se combinam com lacunas ou buracos, num processo que emite luz. Cavidade Ressonante Os electrões que não se recombinam com lacunas no poço quântico ou na base, vão para o colector, que exibe um ganho de corrente. A luz é reflectida pelos “espelhos” em torno do poço quântico, de modo a formar uma cavidade ressonante. A luz é cada vez mais estimulada até formar um feixe de luz laser. O dispositivo pode ser comutado rapidamente (biliões de vezes por segundo), e produz sinais ópticos e eléctricos… 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 9
  10. 10. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser corrente Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL) Funcionamento Courtesy ieee.spectrum.org 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 10
  11. 11. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Schematic diagram of the structure of a DFB transistor laser (TL). VBE VCE WG Emissor Base Colector h 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 11
  12. 12. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Schematic illustration of the transistor vertical-cavity surface-emitting laser (T-VCSEL) Contacto Emissor Dielectrico DBR Contacto Base Emissor (P) Contacto Colector Base (N) Colector (P) AlGaAs/GaAs DBR Quamtum Wells (QW) 13-02-2014 Por : Luís Timóteo Camada “current Block” (N) 12
  13. 13. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Vantagens e Desvantagens dos Transistores laser Vantagens Processamento com luz em vez de electricidade. Comunicações de banda larga mais rápida. Entrada sinais eléctricos  saída eléctrica e óptica. Integrar transistores lasers em dispositivos e dirigir sinais de saída. Maneiras de explorar transistores rápidos com sinais de saída em dois modos diferentes simultâneos. Desvantagens Potencial exposição à radiação 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 13
  14. 14. Semicondutores: - Transistor Laser Transistor Laser Conclusões: Para a compreensão do funcionamento de um transistor vulgar, é necessário o conceito do lacuna ou buraco, o laser transistor não pode ser entendido sem o fotão. O transistor laser “amarra” o electrão, buraco, e fotões (anteriormente não gerados em transistores) juntos, num dispositivo de três terminais, permitindo uma dimensão adicional de caracterização de saída em comparação com um diodo laser convencional (VCE, eléctrica) e óptica . O transistor laser também está em desenvolvimento, tendo atingido velocidades de modulação superiores a 100 GHz, enquanto que com diodos laser se atingem10 GHz. Infelizmente, todos os livros de electrónica terão que ser reescrito para usar TL’s em circuitos. Os inventores dizem, porque o transistor-laser rompe o conceito usado em tempo de conservação da Lei de cargas de Kirchhoff. No futuro, os chips comuns de silício, vão computar dados usando luz, em vez de electrões, numa largura de banda praticamente ilimitada, e revolucionar a computação. 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 14
  15. 15. Semicondutores: - Transistor Laser 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 15
  16. 16. Semicondutores: - Transistor Laser 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 16
  17. 17. Semicondutores: - Transistor Laser Bibliografias http://www.eng.buffalo.edu/courses/ee240/studentprojects/spr2006/group2.ppt http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_laser www.intechopen.com http://www.news.illinois.edu/news/09/0319laser.html 13-02-2014 Por : Luís Timóteo 17

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