semicondutores: - transistor laser

Semicondutores: - Transistor Laser

03-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

Transistor Laser



História

Transistor Laser

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..

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.

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, 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.

Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL)

Transistor Laser

hIB(t)

LB

RBX

IC(t)

LC

RCX

IE(t)

LE

REX

DE

CE

RB

DCXCBCX

RC

DCCBCi

RP

CP

Bspon dISP / dt

I’E

I’E

N1

N2 SP

ISP

ISTIM

Os compostos semicondutores do transistor laser são: arsenieto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio-gálio-(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) ....

Estrutura

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…



Ev

Emissor-n Base-p Colector-n

EC

Estrutura

Transistor Laser

QW

H+

IC

e-IE

IB

h


Colector

Base

Emissor

QW



Transistor Laser

Luz Laser<

Arsenieto Alumínio-Gálio

hIB(t)

LB

RBX

IC(t)

LC

RCX

IE(t)

LE

REX

DE

CE

RB

DCXCBCX

RC

DCCBCi

RP

CP

Bspon dISP / dt

I’E

I’E

N1

N2 SP

ISP

IS//M

Fosforeto Índio-Gálio

Estrutura




Poço quântico (QW)

Transistor Laser

Encapsulamento




Transistor Laser

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…

Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL)Funcionamento



Para transformar esta luz num feixe laser, as faces do transistor são modificadas:

Transistor Laser

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.

Cavidade ressonante

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…

Heterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL)Funcionamento



Funcionamento

Transistor Laser

A tensão na junção Base-Emissor, injecta electrões para a base. No poço quântico, mais eletrões se combinam com lacunas ou buracos, num processo que emite luz.

Cavidade Ressonante

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.

Os electrões que não se recombinam com lacunas no poço quântico ou na base, vão para o colector, que exibe um ganho de corrente.

O dispositivo pode ser comutado rapidamente (biliões de vezes por segundo), e produz sinais ópticos e eléctricos…




corr

ente

Transistor Laser

Courtesy ieee.spectrum.org

FuncionamentoHeterojunction Bipolar Transistor Laser (HBTL)



Schematic diagram of the structure of a DFB transistor laser (TL).

Transistor Laser

h

ColectorBase

WG

VCEVBE

Emissor



Transistor LaserSchematic illustration of the transistor vertical-cavity surface-emitting laser

(T-VCSEL)

Contacto EmissorContacto Base

Contacto Colector

Dielectrico DBR

Emissor (P)

Base (N)

Colector (P)

AlGaAs/GaAs DBR Quamtum Wells (QW)Camada “current Block” (N)



Vantagens e Desvantagens dos Transistores laser

Transistor Laser

VantagensProcessamento 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.

DesvantagensPotencial exposição à radiação



Conclusões:

Transistor Laser

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.



Questões?Dúvidas?



OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...



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

http://www.eng.buffalo.edu/courses/ee240/studentprojects/spr2006/group2.ppt

http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_laser

http://www.intechopen.com/

http://www.news.illinois.edu/news/09/0319laser.html

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