FOTONI E PROPRIETA' OTTICHE

Life time: l'elettrone prima o poi ritorna allo stato elementare una volta eccitato. Questo tempo dipende dall'inverso del numero di difetti, perchè essi fungono da centri di riconfigurazione. Si va dai nanosecondi hai millisecondi.

Assorbanza: misura dell'assorbimento

Vicino alla landa del band gap mi aspetto di trovare un picco dal grafico. In realtà il picco è spostato a lunghezze d'onda più alte (l'errore deriva dalla conservazione dell'energia e da fenomeni intrinseci ai materiali).

PROPRIETA'

Come la struttura verrà perturbata dall'atomo diverso inserito nel reticolo? 

• Intanto sappiamo che allo zero Kelvin tutta la banda di valenza è occupata, mentre quella di conduzione è vuota.

• L'atomo porta alla formazione di un nuovo livello energetico che dipende a seconda se inseriamo un atomo elettron-donatore o accettore di e-.

• E = KB T circa, e per ogni dimensione dello spazio si ha un coefficiente moltiplicativo, il quale scende di 1/2 partendo da 3/2 per un gas 3D.

Esempi: Il ghiaccio avendo tante rifrazioni e interferenze tra interfacce fa si che la luce che arriva dal sole, diffrange in tutti i colori nel cristallo (a meno che la radiazione non sia perpendicolare a esso) e quando tornano indietro si combinano in modo casuale, distruttivo, e io quindi lo vedo bianco.

Il rubino invece è zaffiro, il quale è trasparente, con poche impurezze di cromo che danno la presenza di livelli energetici profondi, e quindi noi lo vediamo rosso.

Quindi se prendo un isolante trasparente e aggiungo delle impurezze, shaller level, diventerà un conduttore trasparente. Un esempio sono i frighi dei bar, si fa passare corrente sui cristalli, non un vetro classico quindi che per effetto joule si scaldano ed evitano l'effetto della condensazione sulla superficie. Il più importante sono l'ossido di indio (indium oxide) e l'ossido di stagno (tin oxide). Delle eccezioni visto che in genere tutti gli ossidi sono degli isolanti.

Mantello dell'invisibilità: in genere gli indici di rifrazione variano da 1 a 2,8, e per materiali più grandi la luce viene curvata, mentre con i metamateriali si può arrivare a indici di rifrazioni inversi. 

--> Spostandoci lungo una colonna i band gap diminuiscono. 

8.2 Semiconduttori

Sono materiali che presentano una conduttività intermedia tra un conduttore e un isolante. Si tratta di materiali con una resistività variabile in base alla temperatura, la cui caratteristica principale è la loro capacità di condurre corrente elettrica o calore.

I semiconduttori possono essere suddivisi in due categorie principali: quelli a base di silicio e quelli a base di germanio. I primi sono più diffusi e sono usati nella maggior parte dei dispositivi elettronici, sono i più efficienti, economici e affidabili. 

Quindi un elettrone della banda di valenza va in conduzione. Si crea una lacuna, aggiungendo boro si ha drogaggio p, mentre con P, fosforo, aggiungo un elemento in banda di conduzione, drogaggio n.

8.3 Giunzioni P-N e giunzione Schottky

3 MECCANISMI DI RICOMBINAZIONE

1. Nei led applico un campo elettrico nei semiconduttori, eccito l'elettrone e quando tornano indietro emettono luce, INTERBANDA. Nel fotovoltaico invece uso i fotoni per produrre gli elettroni. 

2. Promuovo l'elettrone all'interno della stessa banda, INTARBANDA (fenomeni più veloci dell'intrabanda). Ciò comporta un riscaldamento del materiale, che a sua volta provoca l'emissione di fotoni ad una bassa lunghezza d'onda. 

Una giunzione Ohmica è un punto di connessione tra due o più conduttori elettrici in cui il flusso di corrente è determinato dalla legge di Ohm, che afferma che la corrente che passa attraverso una giunzione è proporzionale alla differenza di potenziale elettrico (tensione) tra i due punti di connessione e inversamente proporzionale alla resistenza dei conduttori. 

3. SRH (ricombinazione Shockley-Read-Hall) - Mediato da difetti (vibrazione da fonone a fotone), più probabile dell'effetto radiativo std, cedo energia ad atomo isolato in maniera libera. La ricombinazione avviene più facilmente, tuttavia, se viene limitata, può scambiare solo alcune energie, dando luogo a questo effetto e agli altri due. 

Riprendendo il tempo di rilassamento tra due fenomeni di scattering: la velocità dipende dal numero di portatori liberi. Il processo è limitato dal portatore minoritario. Vale per tutti i semiconduttori. 

Tra i diversi meccanismi di ricombinazione varia solo in modo in cui calcolo il tempo di rilassamento. 

PROPRIETA' DI TRASPORTO

Mobilità  <--> Coefficiente di diffusione: Sono due volti dello stesso fenomeno definito in contesti diversi, Einstein dimostrò che sono legati.

Presenza di impurezze e influenza sulle proprietà di trasporto:

1. La mobilità è influenzata alle alte temperature dalla presenza di ostacoli dovuti ad effetti anarmonici, cioè dalle impurezze, che la vanno a limitare

2. Mobilità influenzata da impurezze a bassa temperatura, perché senza andrebbero via lisce

Si forma così un grafico con una curva che, all'aumentare della temperatura, va a crescere rapidamente fino ad un picco per poi ridiminuire e tendere a zero.

Come influenza la densità dei portatori di carica per la mobilità? Istintivamente ogni volta che immettiamo elementi droganti immettiamo anche impurezze. 

Si forma così un grafico con una curva che, all'aumentare della temperatura, va a crescere rapidamente fino ad un picco (fino a 10^13 atomi portatori di mobilità), per poi ridiminuire e tendere a zero.

GIUNZIONE PN

Sono una tecnica di giunzione utilizzata per connettersi ai dispositivi elettronici. Si tratta di una giunzione tra un semiconduttore di tipo P (pieno di portatori di carica positivi) e uno di tipo N (pieno di portatori di carica negativi). Quindi il termine giunzione fa riferimento alla regione in cui si incontrano i due tipi di drogaggio (P e N).

Quando viene applicata una tensione a una giunzione PN, gli elettroni del semiconduttore di tipo N tendono a muoversi verso il semiconduttore di tipo P, mentre gli elettroni del semiconduttore di tipo P tendono a muoversi verso il semiconduttore di tipo N. Ciò crea una regione di depletion, dove mancano gli elettroni, all'interno della giunzione. La regione di depletion funge da barriera per la corrente elettrica, impedendo che gli elettroni si muovano liberamente attraverso la giunzione. 

Tuttavia, quando viene applicata una tensione sufficientemente alta, gli elettroni possono superare la barriera di depletion e muoversi attraverso la giunzione. Ciò consente di regolare il flusso di corrente attraverso la giunzione PN, rendendola utile in molti dispositivi elettronici. 

Se invece vario linearmente la tensione è come se avessi una resistenza R, seguo la legge di Ohm.

GIUNZIONE Schottky

La giunzione Schottky è una giunzione di semiconduttore a due terminali utilizzata in elettronica, costituita da un metallo e da un semiconduttore. Si ottiene mettendo a contatto un metallo (generalmente un metallo ad alto punto di fusione come platino o oro) con un semiconduttore (generalmente un silicio o un germanio). 

La caratteristica principale della giunzione Schottky è che ha una bassa resistenza in stato iniziale, con una tensione di soglia molto bassa. Ciò significa che ha una forte velocità di commutazione e una bassa dissipazione di potenza. 

Considero due casi: Il primo dove le bande del metallo sono più in basso, l'altro dove sono più in alto, rispetto al livello di Fermi del semiconduttore.

Alcune impurezze vanno vicino alla banda di conduzione, altre vicino alla banda di valenza, altre invece in mezzo.

Come le trovo? Come capisco se è un difetto Schottky?

OMOGIUNZIONI

Tra stesso tipo di semiconduttore o tra semiconduttore e metallo.

ETEROGIUNZIONI tra due semiconduttori - 1^ tipo 

Herbert Kemer 1950: Prima suppongo che sia come la giunzione ordinaria, ma non è così, il grafico corretto è il secondo. Il flusso di elettroni sarà in equilibrio dinamico e si crea poi una zona di potenziale che va contro il flusso, fino a raggiungere un equilibrio dinamico.

ETEROGIUNZIONI 2 Tipo

Ora prendo un semiconduttore molto drogato e lo affianco ad un semiconduttore intrinseco puro. Unendoli le bande si traslano e una passa per il livello di Fermi.

Si cerca di ridurre il numero di e- con la massima mobilità. Nella zona drogata ho preso un salto di e- e li intrappolo a dx nell'interstizio privo di difetti. Qui il cammino libero medio è enorme. Guadagno vari ordini di grandezza di conducibilità (poi si scoprì da qui l'effetto Hall).

FOTONICA: non usare gli e- come portatori di informazioni, ma i fotoni.

Ora prendo due materiali e li pongo vicini e alternati:

8.4 LED

I dispositivi optoelettronici si dividono in due categorie: da elettroni a fotoni e viceversa da fotoni ad e-.

I LED (Light Emitting Diodes, diodi emettitori di luce) sono dispositivi semiconduttori che producono luce quando sono attraversati da una corrente elettrica. Funzionano sulla base del principio della emissione di luce mediante l'effetto fotoelettrico, ovvero la liberazione di elettroni da un materiale semiconduttore quando questi vengono colpiti da una radiazione elettromagnetica di energia sufficientemente alta.

I LED sono costituiti da due strati di materiale semiconduttore, uno di tipo p (che contiene un eccesso di portatori di carica positiva) e uno di tipo n (che contiene un eccesso di portatori di carica negativa). Quando viene applicata una tensione elettrica ai due strati, gli elettroni del materiale n vengono spinti verso il materiale p, dove si combinano con i buchi (mancanze di elettroni) presenti, rilasciando energia sotto forma di fotoni (particelle di luce).

La luce prodotta dai LED può essere di diverse lunghezze d'onda a seconda del materiale semiconduttore utilizzato. Ad esempio, i LED a luce bianca sono ottenuti dall'emissione di fotoni di diverse lunghezze d'onda, che vengono percepiti dall'occhio umano come una luce bianca. I LED sono molto efficienti dal punto di vista energetico, poiché trasformano in luce circa il 80% dell'energia elettrica che consumano, a differenza delle lampade ad incandescenza che emettono gran parte dell'energia sotto forma di calore. Per questo motivo, i LED sono spesso utilizzati in sistemi di illuminazione a risparmio energetico.

Vengono classificati in base alle temperature della radiazione del corpo nero. Inoltre partendo dal bianco/blu aumentando i difetti nel diodo si possono variare i colori, ma cosi si riduce l'intensità. Quindi nella realtà si realizza un led azzurro circa molto intenso, per poi sulla superficie aggiungere uno strato di Fosori, molecole di ossidi di terre rare molto fotoluminescenti, come gli ossidi di Europio, ossidi di Brasobinio,.... 

Curiosità: cosa contengono gli evidenziatori? Essi sono composti per la maggior parte da solventi, ma la loro caratteristica è la fluoresceina sodica, una categoria di molecole che in base a piccole variazioni possono assorbire ed emettere con elevata efficienza alcune lunghezze d'onda. Viene utilizzato in speleologia per individuare rami di corsi d'acqua sotterranei che, scomparendo nel sottosuolo per ricomparire altrove, diventerebbero problematici da seguire. 

SOLID STATE LIGHTING

Ci sono voluti anni di ricerche per avere dei led blu ad alta intensità, questo perché c'erano sempre troppe impurezze e basse efficienze. Solo nel 1990 con la deposizione metallorganica con materiali del III e V gruppo si è riusciti a risolvere il problema.

LED (Light Emitting Diode): è un dispositivo di illuminazione a semiconduttore che emette luce quando una corrente passa attraverso di esso. Può essere utilizzato per illuminare una stanza o per visualizzare informazioni. 

OLED (Organic Light Emitting Diodes): È formato da una serie di strati di materiali organici che emettono luce quando vengono attivati ​​dalla corrente. Si varia dalla disposizione dei led classici perché questa tecnologia è meno stabile, soprattutto con umidità e luci intense. Dura di meno e quindi usata per smatphone o dispositivi che durano un 5 anni circa.

ALoED (Aluminium Light Emitting Diode): E' formato da una serie di strati di materiali in alluminio unito al materiale organico che emettono luce quando vengono attivati ​​dalla corrente. 

AMOLED (Diodo organico a emissione di luce a matrice attiva): Evoluzione dell'OLED, questo tipo di display può emettere la luce propria, ciò succede attivando corrente elettrica tramite una pellicola organica fluorescente o fosforescente che utilizza elementi TFT, ciò provoca "buchi" ed elettroni nella pellicola stessa per produrre la luce. I colori della luce dipendono dalla sostanza organica nella pellicola che la emette sullo schermo, è la più recente e la migliore soluzione per i telefoni smatphone e anche per TV. 

8.5 Frequenze di plasma

Sono onde elettromagnetiche a frequenza molto alta che possono essere generate in un plasma, ovvero una sostanza formata da particelle cariche come elettroni e ioni. Un plasma, che è uno stato della materia, può essere creato in laboratorio mediante l'applicazione di una scarica elettrica ad alta tensione a un gas, oppure può essere presente naturalmente in alcune condizioni, come nell'atmosfera terrestre durante i temporali o nell'universo interstellare.

Le frequenze di plasma sono caratterizzate da una grande ampiezza di frequenza, che può variare da pochi hertz a diverse centinaia di megahertz. Sono utilizzate in diverse applicazioni, come la produzione di materiali a base di plasma, la sintesi di composti chimici, il riscaldamento di materiali solidi o la pulizia di superfici. Inoltre, le frequenze di plasma possono essere utilizzate per trasmettere segnali radio a lunga distanza o per la generazione di effetti ottici spettacolari, come i lampi di luce presenti nei temporali.

Per un metallo con un mare di elettroni liberi applico un campo elettrico che andrà ad arrangiare gli e-, si formeranno lacune positivi e parti negative.

Se aumento la concentrazione degli elettroni nel materiale aumenterà anche la frequenza di plasma e quindi varierà lo spettro di assorbimento della luce, quindi peggioro la trasparenza.

Questo principio è alla base degli ossidi conduttivi dei frighi bar che non si appannano e del fotovoltaico (qui il problema è che l'elettrodo per fa passare la corrente è in mezzo tra il sole e il silicio. Tuttavia se aumento la conducibilità, quindi N e-, anche l'assorbanza aumenta e quindi diminuisce la trasparenza del materiale).

Da qui infine si arriva al calcolo della costante dielettrica dei materiali.

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