Osoba odpowiedzialna za przedmiot: prof. dr hab. inż. Paweł Szczepański

 

Streszczenie
Treści kształcenia: Zasady działania fotonicznych przyrządów półprzewodnikowych. Metody opisu zjawisk występujących w półprzewodnikach. Technologie wytwarzania tych struktur. Aplikacje fotonicznych przyrządów półprzewodnikowych w optoelektronice: diody elektroluminescencyjne, wzmacniacze, lasery, detektory promieniowania, ogniwa fotowoltaiczne, modulatory i przełączniki, wyświetlacze OLED.
Efekty kształcenia - umiejętności i kompetencje: analiza i projektowanie optoelektronicznych przyrządów półprzewodnikowych; projektowanie i wykorzystywanie optycznych detektorów półprzewodnikowych, stosowanie półprzewodnikowych źródeł światła w fotonice zintegrowanej oraz komunikacji optycznej.

Treść wykładu
Przegląd postaw fizyki półprzewodników (3h)
Kryształy. Półprzewodniki złożone. Teoria Blocha. Struktura pasmowa. Bariery potencjału i studnie potencjału. Strefy Brillouina. Przybliżenie masy efektywnej. Teoria pasm Kane. Mechanika statystyczna półprzewodników. Funkcje rozkładu i gęstość stanów.
Heterostruktury (3h)
Definicja hetero struktury. Heterozłącza anizotypowe i izotopowe. Stałe sieci i pasmo wzbronione energii różnych materiałów. Dopasowane i niedopasowanie sieci (naprężenia) materiałów. Przesunięcia i uszeregowania pasm. Wzrost heterostruktury metodami: LPE, MBE, MO-CVD. Kwantowe ograniczenie. Studnie, kropki i druty kwantowe. Technologie materiałowe.
Optyczna absorpcja, emisja i proces załamania (3h)
Absorpcja w przejściu prostym i skośnym. Ekscytrony. Absorpcja wolnych nośników. Współczynniki optycznej emisji-Einsteina A i B. Optyczne załamanie. Optyczne fonony i polaritony.
Półprzewodnikowe diody złączowe p-n (3h)
Przegląd teorii transportu w półprzewodnikach. Równanie ciągłości. Równania gęstości prądu. Ruchliwość. Dyfuzja. Mechanizmy rekombinacji. Długość dyfuzji. Długość drogi Debye'a. Czas relaksacji dielektrycznej. Złączowe diody p-n. Przybliżenie zubożenia. Prąd przewodzenia. Inne prądy w diodzie. Praktyczne struktury diod: diody p-i-n, diody heterostrukturowe, diody Schottky. Kontakty omowe.
Diody elektroluminescencyjne (DEL) (3h)
Rekombinacja w przejściu prostym. Inne mechanizmy w diodzie. Diody homozłączowe kontra diody hetero złączowe. Wydajność emisji zewnętrznej diody DEL. Wzmocnienie światła w strukturach kryształów fotonicznych. Kluczowe problemy produkcji i pakowania. Szybkość odpowiedzi diod DEL.
Wzmacniacze i lasery półprzewodnikowe (4h)
Warunki otrzymywania wymuszonej emisji. Wzmocnienie. Dopasowanie fazowe. Prąd progowy. Optyczne dopasowanie i sprzężenie do pola e.m.. Dynamika wzmocnienia laserów. Pasmo modulacji. lasery jednoczęstotliwościowe: DFB i DBR. Lasery ze studniami i kropkami kwantowymi. Kwantowe lasery kaskadowe. Struktury wzmacniające i stratne. Lasery emitujące powierzchniowo (VCSEL). Lasery dużej mocy. Lasery przestrajalne. Półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne. Półprzewodnikowe optyczne detektory (3h)
Fotoprzewodniki. Fotodiody złączowe. Fotodiody lawinowe. Szybkie diody. Diody za złączem metal-półprzewodnik (MSM), Czujniki CCD. Detektory podczerwieni.
Ogniwa fotowoltaiczne (2h)
Diody fotowoltaiczne. Ogniwa słoneczne. Fotowoltaiczne konwertery. Materiały i tendencje rozwoju. Zastosowania.
Modulatory i przełączniki (2h)
Kwantowo ograniczony efekt Starka. Efekty załamania rezonansu pasm zabronionych. Elektro-absorpcyjne modulatory (efekt Franza-Keldysha). Efekty Pockelsa i Kerra. Interferometr Macha- Zehndera. Przełączniki SEED.
Luminescencja organicznych materiałów półprzewodnikowych (2h)
Zasada działania przyrządów z organicznych materiałów półprzewodnikowych OLED. Konstrukcje. Technologia. Zastosowania.
Technologia fotonicznych materiałów półprzewodnikowych (2h)
Kontrola pasma zabronionego oraz współczynnika załamania poprzez proces epitaksji. Struktury warstw napiętych i supersieci. Metody wzrostu epitaksjalnych nanostruktur z kontrolą monowarstw.