Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Transkrypt

1 Wykład IV Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

2 Półprzewodniki - diagram pasmowy Kryształ Si, Ge, GaAs Struktura krystaliczna prowadzi do relacji dyspersji E(k). Krzywizna pasm decyduje o masie efektywnej nośników: m B. Ziętek Optoelektronika 2 1 * 2 de e 2 dk Półprzewodnik z prostą i skośną przerwą wzbronioną

3 Półprzewodniki relacja dyspersji E(k) prosta skośna λ(μm) = E(eV) B. Ziętek Optoelektronika

4 Półprzewodniki (Si, Ge, GaAs) Konfiguracja elektronowa Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [Ne] 3s 2 3p 2 4 elektrony walencyjne Kryształ Si: wiązanie kowalencyjne E x Półprzewodnik samoistny

5 Półprzewodnik typu n Półprzewodnik typu p

6 Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca Elektrony są fermionami. Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu fermionem: f ( E) 1 E E kt e F 1 Dla T = 0 K, f(e) = 1 E < E F 0 E > E F W T=0 zapełnione są wszystkie stany o energiach poniżej E F Dla dowolnej temperatury prawdopodobieństwo zapełnienia stanu o energii E F wynosi 0.5: f(e) = 0.5 dla E = E F

7 Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi termodynamicznej w półprzewodniku Koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa: n 0 = f E ρ c E de E c Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu fermionem: f ( E) 1 E E kt e F 1 Gęstość stanów w pobliżu krawędzi pasm:

8 Półprzewodniki n 0 N C F ( 1/ 2 E F E kt C ) Całka Fermiego N C 2 m 2 h * n 2 kt 3/ 2 efektywna gęstość stanów Dla półprzewodnika niezdegenerowanego: n 0 N C f ( EC ) N C e ( E C E F ) / kt Dla półprzewodnika zdegenerowanego: n 0 = 1 3π 2 2m n ћ 2 3/2 (E F E c ) 3/2

9 Poziom Fermiego w półprzewodniku niezdegenerowanym E C E F =E i E V samoistny E C E F E i E V n-typu E C E i E F E V p-typu Wpływ domieszkowania na poziom Fermiego E F : n-typu: poziom Fermiego przesuwa się do góry p-typu: poziom Fermiego przesuwa się w dół

10 Półprzewodnik niezdegenerowany Poziom Fermiego znajduje się w obszarze przerwy wzbronionej Półprzewodnik zdegenerowany typu n Poziom Fermiego znajduje się w obszarze pasma przewodnictwa

11 Złącze p-n Złącze p-n Zjonizowane akceptory Zjonizowane donory Tworzy się złącze p-n Złącze po utworzeniu

12 Złącze p-n dioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa p n A Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia I V

13 B. Ziętek Optoelektronika Złącze p-n

14 B. Ziętek Optoelektronika Złącze p-n

15 Rekombinacja spontaniczna A 21 - proces emisji spontanicznej B. Ziętek Optoelektronika

16 LED diagram pasmowy Diagram pasmowy LED bez polaryzacji i po spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia. Napięcie polaryzujące diodę zmniejsza barierę potencjału Vo i nośniki większościowe dyfundują do odpowiednich obszarów złącza, rekombinując w obszarze złącza.

17 Dioda GaAs (1-x) P x Przerwa prosta Przejście prosta skośna x=0.42 Przerwa skośna E Poziom N Poziom N k x = 0.4 LED świecą na czerwono, x = 0.65 na pomarańczowo, x = 0.85 na żółto i x = 1 na zielono. GaAs 1-x P x dla składów molowych x<0.42 jest półprzewodnikiem z prostą przerwą wzbronioną. Dlatego prawdopodobieństwo rekombinacji promienistej jest duże. Natomiast dla większych składów półprzewodnikiem o skośnej przerwie wzbronionej. Stąd czysty GaP nie nadaje się na diody LED. Aby umożliwić rekombinację promienistą w tym krysztale, wprowadza się do niego tzw. domieszkę zlokalizowaną - azot.

18 Widmo promieniowania i energie wzbronione Bandgap - przerwa wzbroniona, lattice constant stała sieciowa

19 Widmo LED GaAsP / GaAs 655nm / czerwone GaP 568nm / żółto-zielone GaP 700nm / jasno czerowne GaAsP / Gap 610nm / bursztynowe GaP 555nm / czysta zieleń GaAsP / GaP 655nm / czerwone o wysokiej wydajności GaP 568nm / żółto-zielone GaAlAs / GaAs 660nm / czerwone InGaAlP 574nm / zielone InGaAlP 574nm/zielone InGaAlP 620nm / pomarańczowe InGaAlP 595nm / żółte

20 Sposoby otrzymywania białych emiterów LED poprzez mieszanie trzech barw podstawowych przez konwersję promieni UV w luminoforze RGB przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym

21 Emisja wymuszona w półprzewodnikach Łączna gęstość stanów Absorpcja i emisja Warunek obsadzeń Współczynnik inwersji Fermiego Wzmocnienie światła w półprzewodniku Warunek Bernarda Duraffourga Złącze p-n silnie domieszkowane

22 Łączna gęstość stanów Z zasady zachowania energii: Łączna gęstość stanów

23 Łączna gęstość stanów Gęstość stanów w pobliżu krawędzi pasm:

24 Absorpcja i emisja Absorpcja Emisja

25 Wzmocnienie w półprzewodnikuwarunek obsadzeń Emisja Absorpcja f c E 2 f v E 1 = 1/ exp (E 2 E fc )/kt + 1 = 1/ exp (E 1 E fv )/kt + 1 Współczynnik inwersji Fermiego: Wzmocnienie, jeśli współczynnik inwersji f g ν > 0 1 f c E 2 < 1 f v E 1

26 Wzmocnienie w półprzewodniku - warunek obsadzeń f c E 2 = 1/ exp (E 2 E fc )/kt + 1 f v E 1 = 1/ exp (E 1 E fv )/kt + 1 exp (E 2 E fc )/kt + 1 < exp (E 1 E fv )/kt + 1 E fc E fv > E 2 E 1 = hν Z drugiej strony, aby promieniowanie zostało zaabsorbowane, energia fotonu musi być większa od przerwy wzbronionej E g. Stąd:

27 Wzmocnienie w półprzewodniku Tylko fotony o energii zawartej w przedziale pomiędzy E g a E fc -E fv są wzmacniane. Linie ciągłe 0K, przerywane temperatura 300K

28 Laser homozłączowy B. Ziętek Optoelektronika

29 Właściwości promieniowania laserowego Gęstość ładunku progowego (wstrzykiwanego do złącza) B. Ziętek Optoelektronika

30 Rozkład przestrzenny prom. laserowego B. Ziętek Optoelektronika

31 Laser heterozłączowy B. Ziętek Optoelektronika

32 Lasery niskowymiarowe B. Ziętek Optoelektronika

33 Laser niebiesko-fioletowy

34 Materiały półprzewodnikowe stosowane na LED i diody laserowe

35 Inwersja obsadzeń w laserze półprzewodnikowym CB Więcej elektronów w pasmie przew. (CB) w pobliżu E C E Fn Elektrony w CB ev E g E Fp VB Dziury w VB niż elektronów w pasmie walencyjnym (VB) w pobliżu E V E Fn - E Fp = ev ev > E g ev napięcie w kier. przewodzenia Inwersja obsadzeń stanów w pobliżu E C i E V w obszarze złącza jest jedynie możliwa, gdy zdegenerowane złącze p-n jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem o energii ev > E g

36 Źródło ASE Realizacja inwersji obsadzeń we włóknie światłowodowym domieszkowanym jonami ziem rzadkich (RE) jest łatwe, ponieważ uwięzienie fotonów we włóknie (zwykle <10 mm) a więc i intensywność pompowania w rdzeniu jest b. duża. Dlatego emisja wymuszona we włóknie domieszkowanym jonami ziem rzadkich jest bardzo wydajna. Stąd włókna są często używane jako źródła ASE, lasery światłowodowe i światłowodowe wzmacniacze optyczne.

37 Źródło ASE

38 Laser półprzewodnikowy a) Dioda laserująca bez polaryzacji i b) spolaryzowana napięciem równym energii wzbronionej półprzewodnika. Warunek wystąpienia akcji laserowej: półprzewodniki zdegenerowane E FC E FV 0 napięcie polaryzujące równe ~ przerwie wzbronionej

39 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) Markery nowotworowe fluorescencja po oświetleniu światłem niebieskim komórek rakowych różni się od fluorescencji zdrowych komórek. Detekcja broni chemicznej i biologicznej - po oświetleniu światłem niebieskim pierwiastki znajdujące się w broni chemicznej i biologicznej fluoryzują. Lepsze drukarki drukarki laserowe na niebieskim laserze mają dwukrotnie większą rozdzielczość Medycyna/stomatologia skalpele, rozdrabniacze złogów i udrażnianie arterii, renowacja uszkodzonej rogówki i naczyń krwionośnych w oku, utwardzanie wypełnień w zębach. Zastos. militarne naprowadzanie na cel Nauka Charakteryzacja materiałów i metrologia

40 Lasery-zastosowanie Większość współczesnych dysków (CD i DVD) jest wykonywana przy użyciu laserów na bazie GaAs, które emitują światło w czerwonym lub podczerwonym zakresie widma promieniowania CD 700MB używa lasera na 780nm DVD o pojemności 4.7GB - lasera na 640nm. Niebieskie lasery o długości fali 405 nm: Blu-ray i Advanced Optical Disc mają pojemność 23GB i 36GB. Krótsze fale umożliwiają zapis olbrzymiej ilości danych