Resolução de exercícios Parte 2

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1 Resolução de exercícios Parte 2 Capítulo 6 (7 exercícios). Por que não há possibilidade de condução elétrica em um semicondutor a 0K? Na seção podemos encontrar a explicação para isso: [...] à temperatura de 0K, os átomos estão ligados entre si por ligações covalentes, de tal forma que consiga completar sua última cadeia eletrônica com os elétrons dos átomos vizinhos. Nessa situação, todos os níveis de energia da banda de valência estarão ocupados com elétrons. Assim sendo, as demais bandas de energia estarão vazias. Com os elétrons presos por ligações covalentes e a camada de valência toda ocupada, não há possibilidade de condução de eletricidade (a essa temperatura, não há energia disponível para bombeamento de elétrons para a camada de condução). 2. Quais são os fenômenos físicos que explicam o funcionamento das fontes de luz a semicondutor? Nos semicondutores, os níveis de energia estão agrupados de forma muito densa, formando estruturas de bandas de energia, separadas por um gap determinado pela banda proibida. A chegada de energia maior que o bandgap excita os elétrons da banda de valência para a banda de condução, criando uma lacuna na banda de valência. A emissão de luz ocorre durante o processo de recombinação. 3. Por que o Silício não é utilizado na fabricação de lasers e o GaAs é? Porque o silício possui um arranjo de bandgap indireto. Ou seja, o fundo da banda de condução e o topo da banda de valência estão deslocados, um em relação ao outro. Para que ocorra emissão, é necessário concorrência simultânea de três partículas (um elétron, um fóton e um fónon), que é um processo de segunda ordem, muito mais improvável que um processo de primeira ordem (que ocorre em transições de bandgap direto). Já o GaAs possui o arranjo de bandgap direto. 4. Além do GaAs, quais são os outros materiais usualmente utilizados na fabricação de fontes de luz a semicondutor? Outros materiais utilizados são GaSb, InAs e InSb. São úteis para esse fim por terem uma estrutura de bandgap direto, aumentando muito o coeficiente de recombinação.

2 5. Um fotodetector de Silício funciona para comprimentos de onda de,5μm? Por quê? O bandgap nessa frequência é muito grande para ser atravessado por fótons de baixa energia e, portanto, o silício não pode ser utilizado. 8. Quando um LED tem 2V aplicados aos seus terminais, ele consome uma corrente igual a 00 ma, e produz 2 mw de potência óptica. Qual é a eficiência de conversão do LED de potência elétrica para potência óptica? P elet V i 2 0, 200mW. η P opt P elet % 2. O que é ruído de partição modal? Para taxas de transmissão elevadas, a duração dos pulsos é insuficiente para que a repartição de energia entre os modos atinja um perfil estacionário. Com isso, a partição de energia entre os modos axiais sofre variações aleatórias de pulso para pulso, o que é chamado de ruído de partição modal. Capítulo 7 (7 exercícios). Por que os fotodiodos PIN são preferidos em relação aos fotodiodos p-n? O fotodiodo PIN possui entre as regiões p e n uma larga região semicondutora intrínseca. Essa região não possui portadores livres, o que faz com que sua resistência seja alta e, portanto, é sobre ela que cai quase toda a tensão do diodo. Como a região intrínseca é larga, aumenta a probabilidade de um fóton incidente ser absorvido nela, melhorando a eficiência e a velocidade em relação aos fotodiodos p-n. 2. Qual é a fotocorrente produzida por um fotodetector cuja responsividade é igual a 0, 7 A, se o nível de potência incidente é de -35 W dbm? P 0 [dbm] 0 log ( Po[W] ) P 0 [W] 3,6 0 7 W I g R Φ P 0 0,7 3, , A 22,2 na

3 3. Se, no exercício 2, o comprimento de onda for de 550 nm, calcule a eficiência quântica externa do dispositivo. R Φ η qλ hc > η R Φhc qλ η 0,7 6, , ,56 ou 56% 4. Suponha que um APD possua uma região de absorção de fótons igual a 20 μm, uma velocidade de portador de m, e uma capacitância s de junção de 0 pf. a) Calcule a banda passante limitada pelo tempo de trânsito. t tran W D v s Assumindo tempo de trânsito igual ao tempo de subida: Δf 3dB 2,9 2,9 87,4 MHz 2πt r 2π b) Qual é a maior resistência de carga que não afetará a banda passante calculada no item (a)? t r t tran 2,9R L C D t tran 0 > R L,83 Ω 0 2, c) Qual será a banda passante, se a resistência de carga for de 5000 Ω? Banda passante será limitada pelo produto R L C D : Δf 3dB 3,8 MHz 2πR L C D 2π Calcule a responsividade de um APD de InGaAs, operando em, 30 μm, tendo uma eficiência quântica externa de 75% e ganho M20. Qual deve ser a potência luminosa incidente necessária para que o fotodetector produza uma fotocorrente igual a 50 na? R APD Mηqλ hc 20 0,75,6 0 9, , ,2 A W

4 P 0 I , W R APD 94,2 6. Se, no exercício 5, a tensão de ruptura do fotodiodo for V BR 250V, e o parâmetro n, 8, qual deve ser a tensão de polarização para se obter M 20? Sabemos do exercício resolvido 7.5 que: log(v D ) n log ( M ) + log(v BR) log(v D ) log (,8 20 ) + log(250) 2,396 > v D 248,8 V 7. Calcule os valores mínimo, máximo e típico do fator de excesso de ruído F M de um APD de ganho igual a M 80. Valor mínimo (ionização se dá por portadores de um só tipo e k i 0): F M 2 M 2 80,9875 Valor máximo (portadores igualmente ionizantes e k i ): F M M 80 Valor típico (os dois são ionizantes, porém a taxa de ionização de um é muito maior que a do outro): Como no exercício resolvido 7.6, será assumido k i 0,2: F M k i M + ( k i ) (2 M ) 0, ,8 (2 80 ) 7,59 Capítulo 8 ( exercício) 5. Descreva as vantagens e as desvantagens de junções entre fibras ópticas realizadas por conectores e emendas. Conectores são utilizados, em geral, em junções temporárias. Vantagem(ns): fácil implementação; quando se quiser desfazer a junção, não será causado grande dano ao sistema. Desvantagem(ns): são mais caros, devido as características de construção; possuem perdas mais altas que as emendas, por exemplo. As emendas são utilizadas para junção permanentes.

5 Vantagem(ns): perdas baixas. Desvantagem(ns): difícil de serem implementadas, demandando equipamentos de muita precisão para alinhamento das fibras.