Docente/i: Silvano Donati   Guido Giuliani  

Denominazione del corso: Dispositivi Optoelettronici()
Codice del corso: 503024
Corso di laurea: Ingegneria Elettronica
Sede: Pavia
Settore scientifico disciplinare: ING-INF/01
L'insegnamento è caratterizzante per: Ingegneria Elettronica
Crediti formativi: CFU 9
Sito web del corso: n.d.

Obiettivi formativi specifici

Il corso si propone di fornire una solida preparazione di base nonche' i contenuti ingegneristici riguardanti i building-block fondamentali di tutte le applicazioni della fotonica e dell'optoelettronica. Questo know how e' infatti alla base e il presupposto indispensabile di tutte rle applicazioni nei diversi comparti ingegneristici, dalle comunicazioni alla strumentazione, dalle memorie e i display all'elaborazione ottica del segnale. Gli obbiettivi del corso sono pertanto: fornire una conoscenza scientifica della materia adeguata all'impiego nel campo del lavoro professionale e una solida capacita'  progettuale in riferimento a dispositivi, loro tecnologie, circuiti di utilizzazione e infine prestazioni di banda e rumore.

Programma del corso

I componenti optoelettronici (altrimenti detti fotonici) sono alla base di tutte le applicazioni ingegneristiche nei diversi compartiche spaziano dalle comunicazioni alla strumentazione, dalle memorie e i display all’elaborazione ottica del segnale. Per il progetto dei componenti e degli apparati della fotonica occorre conoscere in modo approfondito il principio di funzionamento, le tecnologie realizzative, e i requisiti funzionali di sistema, dei suddetti componenti optolettronici, a partire dai fotorivelatori per la conversione del segnale ottico in elettrico, proseguendo con i laser per la conversione elettro-ottica e trattando infine i modulatori elettro-ottici e i componenti derivati (filtri e assimilati). Una digressione speciale sara’ offerta, data la crescente importanza applicativa,al settore delle celle solari fotovoltaiche.

Parte I - fotorivelatori a singolo punto
Banda e rumore dei rivelatori. Regimi di rivelazione quantico e termico.Cifre di merito: NEP e detettivita' . Limite BLIP. Rivelatori a fotoemissione. Assorbimento, coefficienti di Einstein e legge di Lamgert-Beers. Fotocatodi: il processo di footemissione e i materiali. Il fotomoltiplicatore (PMT): SER, risposta integrale e di corrente, misure di ampiezza e di tempo. Uso dei PMT nella strumentazione. Conteggio singoli fotoni. Rivelazione radiazione nucleare (alfa, beta, gamma e neutroni). Datazione con i radionuclidi. Microcanali e PMT a MCP. Fotodiodi a giunzione, strutture e materiali. Caratteristiche elettriche, circuiti equivalenti. Risposta estrinseca e intrinseca di fotodiodi. Giunzioni pn e pin, Schottky, eterogiunzioni, SAD e UTC per iperfrequenze. Circuiti per fotodiodi: per strumentazione, a larga banda per TLC, e per impulsi rapidi. Fotodiodo a valanga. Strutture di APD. Guadagno. Risposta in frequenza e rumore. Polarizzazione e requisiti d'uso. SPAD. Altri fotorivelatori fotoelettrici (fototransistori bipolare, FET e MOS, fotoconduttori) Rivelatori termici (tipi, risposta, detettivita' ). Termografia all'infrarosso e applicazioni

Parte IA Tecniche avanzate di fotorivelazione
Rivelazione diretta e coerente, fattore di coerenza, S/N, BER, fotoni/bit, rivelatore bilanciato. Generatori di microonde e onde T per fotomescolamento. Applicazione nel campo del Terahertz. Tecniche avanzate di rivelazione con: preamplificazione ottica, a iniezione, non-demolitiva, radiazione a stati spremuti. Nouvo modello per il rumore nella fotorivelazione.

Parte IB Fotorivelatori ad immagine
Componenti per ripresa di immagine, vidicon e altri derivati per LLLTV. Matrici a CCD e CMOS. Funzionamento, dinamica e saturazione. Stadio di uscita, stadio differenziale CDS.Matrici a CMOS, Matrici di bolometri per termovisioni Organizzazione ad immagine. Risoluzione spaziale, OTF e MTF. Effetti di campionamento, Moire' e applicazioni. Intensificatori e convertitori di immagini. Generazioni di intensificatori. Parametri e prestazioni. Intensificatori speciali a streak, gated, per raggi X.

Parte IC- Celle solari fotovoltaiche
L'energia solare disponibile. Sistemi termici e fotovoltaici. Rendimento exergetico. Materiali e strutture per conversione fotovoltaica. Parametri elettrici e ottici, rendimento di conversione, Fill-Factor, costante solare e AM, energy gap ottimale, rendimento teorico e effetti di riduzione, punto di massima potenza, tecnologia celle (materiali, contatti, trattamento ARC). Sistemi e strutture. esposizione diretta e a concentrazione. Applicazione sistemi fotovoltaici, insolazione annua, panoramica normativa e incentivi internazionali. Sistemi avanzati, celle multispettrali, impiego spaziale, cogenerazione. Invertitori e condizionamento potenza, sistema accessori (fatturazione, sicurezza, antifurto)

Parte II sorgenti a semiconduttore
Processi di emissione spontanea e amplificata nei semiconduttori omogenei, guadagno ottico per unita’ di lunghezza, sua distribuzione spettrale. Materiali a bandgap diretto e indiretto, effetto del disaccordo reticolare. Materiali a buca quantica, singola e multipla, a filo e punto quantico. Omogiunzioni e eterogiunzioni, la cavita’ ottica Fabry-Perot, confinamento elettrico e ottico, guida d‘indice e di guadagno, guide ridge e rib, contattatura, intermixing agli specchi. Corrente di soglia, potenza emessa, struttura modale, larghezza di riga, RIN, effetti di deriva termica. Materiali per I, II e III finestra. Materiali per matrici di potenza. Equazioni di Lang-Kobayashi e regime di retroriflessione. Laser planari a riflettore distribuito, DBR, DFB e l/4-shifted. Caratteristiche. Laser a microcavita’ e a cristalli fotonici. Laser a cascata quantica. Laser a cavita’ verticale (VCSEL) strutture e proprieta’. Laser e LED al nitruro di gallio. Modulazione diretta dei diodi laser per segnali, frequaenza di rilassamento, risposta ai piccoli segnali, saturazione guadagno. Strutture di amplificatore ottico a semiconduttore. Modulatori a elettroassorbimento, effetto Franz-Keldysh. Guide in semiconduttore, circuiti di ottica integrata.

Prerequisiti

Conoscenza di elettronica di base (analaogica e digitale) e dei principi elementari dell'Ottica (quale ottenuto dalla Fisica II) e della Fotonica (descrizione elementare dei laser e delle guide ottiche)

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 68
Esercitazioni (ore/anno in aula): 0
Attività pratiche (ore/anno in aula): 0

Materiale didattico consigliato

Testi: per la parte I S.Donati: 'Fotorivelatori', AEI 1997, Milano, oppure S.Donati 'Photodetectors', Prentice Hall 2000 per la parte II Appunti del Corso e per consultazione S.L.Chuang: Physics of Photonic Devices, Wiley 2009, capitoli 9-11 e14 S.O.Kasap: 'Optoelectronics and Photonic' Prentice Hall 2001, capitoli 3,4,7.

S Donati. Photodetectors. prentice Hall, USA 2000.

Titolo del riferimento da modificare.

Modalità di verifica dell'apprendimento

una prova scritta considtente in 5 domande o semplici problemi da risolvere in 1 ora piu' una prova orale di discussione dello scritto e domande ulteriori, della durata di 15-30 minuti