Física de Dispositivos Optoelectrónicos

Física de Dispositivos Optoelectrónicos
Curso de posgrado para las carreras Doctorado en Física y Maestría en Física
Director: Dr. Javier A. Schmidt
Colaboradores: Dr. Francisco Rubinelli y Dr. Roberto Arce
Objetivos
Este curso tiene como objetivo formar a los estudiantes de posgrado en los principios
de funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos, tanto desde el punto de vista de la
física básica como de sus aplicaciones tecnológicas. Después de un breve repaso de las
propiedades básicas de los semiconductores, se comenzará el estudio de algunos dispositivos
específicos como celdas fotovoltaicas, fotodetectores y fotodiodos, detectores de imágenes
CCD, diodos emisores de luz, diodos láser y moduladores de luz, entre otros. En todos los
casos se analizará su principio de funcionamiento, las características fundamentales que
definen su eficiencia, los materiales empleados en su fabricación, y las principales
aplicaciones prácticas.
Perfil de los alumnos a quienes está orientado
Alumnos de posgrado con formación básica en física del sólido.
Requisitos de formación previa de los inscriptos
Formación básica en Física del Sólido, Óptica y Electrostática.
Lugar de dictado: IFIS-Litoral
Fecha de iniciación: Agosto de 2016.
Carga horaria total y distribución horaria de las actividades:

Carga horaria total: 90 horas

Número total de horas de teoría: 60 horas

Número total de horas de práctica /coloquios: 30 horas
Número de vacantes: No hay límite.
Método de evaluación y promoción

Evaluación continua: exposiciones de problemas resueltos por los alumnos.

Exámenes parciales: dos exámenes parciales

Examen final: Examen escrito de 4 horas.
Universidad Nacional del Litoral
Ciudad Universitaria.
Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas C.C. 242 - S3000 Santa Fe
Secretaría de Ciencia y Técnica
Tel.: (0342) 4575215/6 - Int. 117
Dirección de Posgrado
Email: [email protected]
www.fbcb.unl.edu.ar
Programa analítico
El curso se organiza en 15 semanas de cursado, con 6 horas de clase por semana
divididas en dos clases de 3 horas cada una. En cada clase se dedicarán 2 horas a la
teoría y 1 hora a la resolución de problemas por parte de los alumnos. A continuación se
detallan los temas a tratar en cada semana.
Semana 1: Energía Solar Fotovoltaica – Responsable: Javier Schmidt
Introducción. Mitos y verdades sobre la energía solar fotovoltaica. Tecnologías
fotovoltaicas. El espectro solar.
Semana 2: Conceptos Básicos – Responsable: Javier Schmidt
Generación óptica, recombinación, difusión, drift, ecuaciones de transporte.
Semana 3: Curva I-V de una celda solar – Responsable: Javier Schmidt
Deducción de la curva característica de una celda solar. Parámetros característicos.
Influencia de la calidad de los materiales sobre la curva I-V.
Semana 4: Respuesta Espectral de una celda solar – Responsable: Javier Schmidt
Deducción de la curva de respuesta espectral. Influencia de los parámetros del material.
Diseño de celdas solares. Capas TCO especulares y rugosas. Scattering de luz en
superficies rugosas. Haze y rms. Pérdidas eléctricas y ópticas.
Semana 5: Fabricación de celdas y módulos fotovoltaicos – Responsable: Javier Schmidt
Producción de silicio metalúrgico, grado solar y grado electrónico. Procesos de fabricación
de celdas de silicio cristalino. Fabricación de módulos.
Semanas 6 y 7: Celdas de película delgada – Responsable: R. Arce
Celdas de silicio en película delgada. Celdas de silicio amorfo hidrogenado. Celdas de
CdTe y de CIGS. Celdas orgánicas. Celdas basadas en perovskitas.
Semana 8: Física básica de Fotodetectores - Responsable: F. Rubinelli
Materiales para detectores ópticos. Eficiencia Cuántica interna y externa. Teorema de
Ramo. Capas anti-reflectantes. Fotoconductores y fotodiodos. Fotodiodo p-n. Diodo
Schottky. Juntura ideal y efectos no ideales sobre la altura de la barrera. Límites Schottky
y Baarden. Derivación de la relación corriente-voltaje. Comparación entre la barrera
Schottky y la juntura p-n. Contactos óhmicos. Resistencia de contacto y barrera túnel.
Fotodiodo p-i-n. Operación y velocidad del fotodiodo p-i-n. Difusión de fotoportadores.
Responsividad. Nociones de fotodetectores de silicio amorfo: estados amfotéricos.,
nociones del modelo de Defect Pool, efecto Pool-Frenkel. Dependencia de la corriente con
la tensión inversa.
Semana 9: Fotodetectores - Responsable: F. Rubinelli
Detectores de colores. Fotodiodos p-i-n dobles y triples. El fotodiodo de avalancha: InGaAs
y Si. Fotodiodos tipo heterojuntura. Superredes. Separación de la generación y de la
multiplicación.
Fototransistores.
Detectores
fotoconductores.
Ganancia
de
Fotoconductividad. Respuesta en frecuencia de detectores. Ruido en fotodetectores.
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Diferentes tipos de ruido: partición, térmico, avalancha, generación-recombinación,
Flicker, etc. Balance entre ancho de banda y ruido. NEP y detectividad. Modulación y
sistemas de detección. Detección directa y coherente. El detector balanceado. Detección
con preamplificación óptica
Semana 10: MOS - Responsable: F. Rubinelli
Estructura MOS de dos terminales. Diagrama de banda. Ancho de la zona de depleción.
Diferencia entre las funciones trabajo. Voltaje de bandas planas. Voltaje de umbral.
Característica capacidad-voltaje. Efectos de la frecuencia. Efectos de la carga de la
interfase y del óxido.
Semana 11: Detectores de Imágenes CCD - Responsable: F. Rubinelli
Principio de Difracción. Resolución de sistemas de imágenes. Estructura interna. Principio
de funcionamiento y características fundamentales: linealidad, saturación, ganancia,
rango dinámico, eficiencia cuántica, sensibilidad espectral, eficiencia de transferencia,
corriente a obscuras. Nociones sobre la electrónica de una cámara CCD: reloj,
amplificador, interfaces, etc. Sensado y adquisición de imágenes. Generación del color.
Dispositivos CMOS.
Semana 12: Diodos LED - Responsable: F. Rubinelli
Diagramas E-k. Principios y estructuras de LED. Materiales utilizados. Espectro de salida.
Variaciones de las longitudes de onda de salida. LED para aplicaciones en
comunicaciones por fibra óptica. Hetetojunturas de alta intensidad. Estructura e InGaAsP
sobre substrato InP.
Semanas 13 y 14: Diodos Láser - Responsable: F. Rubinelli
Interferencia múltiple. Resonadores ópticos. Espejos de dieléctricos. Coherencia espacial
y temporal. Emisión estimulada y amplificación de fotones. Velocidad de emisión
estimulada y coeficientes de Einstein. Amplificación de la luz. Amplificadores de fibra
óptica. El láser de gas He-Ne. Espectro de salida de un Láser de gas. Oscilaciones del
Láser: Coeficiente de Ganancia óptica g, Ganancia umbral, Modos del Láser. Principio de
operación de un diodo láser. Diodos Láser de heterojuntura. Características elementales
del diodo Láser. Ecuaciones de estado estacionario. La cavidad óptica. Láser debajo y
encima del umbral. Láser para comunicaciones por fibra óptica. Diodos Láser de
frecuencia simple. Quantum Wells. VCSELs. Nociones de Holografía.
Semana 15: Nociones de otros dispositivos: Fibras Ópticas y Moduladores - Responsable:
F. Rubinelli
Guías de ondas rectangulares. Guías de onda de simple y múltiple modo. Modos TM y TE.
Diagrama de dispersión. Modos y dispersión en guías de onda rectangulares. Fibras de
índice de refracción escalón. Apertura numérica. Absorción y scattering de luz. Velocidad
de transmisión de bits. Atenuación. Polarización. Propagación de luz en medios
anisotrópicos. Medios bi-refringetes. Dispositivos ópticos bi-refingentes. Actividad óptica y
bi-refringencia circular. Efectos electro-ópticos. Moduladores ópticos integrados.
Modulador óptico-acústico. Efectos ópticos- magnéticos. Optica no lineal.
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Bibliografía
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2005. En la Cátedra.
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2005. En la Cátedra.

Optoelectronic and Photonics, S.O. Kasap, Prentice Hall, 2001. En la Cátedra.

Semiconductor Optoelectronics, Bhatacharva, Prentice Hall, 1994. En la Cátedra.
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Semiconductor Optoelectronics: Physics and Technology, Singh, Mc. Graw Hill, 1995. En la
Cátedra.
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Fundamentals of Semicoductors, P. Y. Yu y M. Cardona, Springler Verlag Berlin Heidelberg
(1996). En la Cátedra.
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Hilger NY. (1991). En la Cátedra.
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K. Inoue, K. Ohtaka, Photonic Crystals: Physics, Fabrication and Applications. En la
Cátedra.
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Hydrogenated Amorphous Slicon, R. Street, Cambridge, 1991. En biblioteca CCT.
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Amorphous and Microcrystalline Silion Solar Cells, R.E.I.Schropp y M.Zeman, Kluwer
Academic Press, 1998. En biblioteca CCT.
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Publicaciones de las revistas Physical Review B, Journal of Applied Physics, IEEE
Transaction of Electron Devices, Journal of Non-Crystalline Solids, Proceedings of IEEE y
MRS, etc. En biblioteca CCT.
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