Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Transkrypt

1 Lasery półprzewodnikowe przewodnikowe Bernard Ziętek

2 Plan 1. Rodzaje półprzewodników 2. Parametry półprzewodników 3. Złącze p-n 4. Rekombinacja dziura-elektron 5. Wzmocnienie 6. Rezonatory 7. Lasery niskowymiarowe 8. Lasery DFL i DFB 9. Układy specjalne 10.Zastosowania 2

3 Półprzewodniki - samoistne - domieszkowane Domieszkowanie: Al, Ga, In (III grupa) typ p P, As, Sb (V grupa) typ n Rozkład Fermiego: Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu o energii E F energia Fermiego 3

4 Gęstość stanów -w paśmie przewodzenia -w paśmie walencyjnym Gęstość elektronów w paśmie przewodnictwa lub gdzie Całka Fermiego 4

5 Przejścia -proste - skośne Przykłady 5

6 Stałe sieci i przerwy energetyczne najważniejszych półprzewodników. Linie ciągłe dotyczą półprzewodników z przerwą prostą 6

7 Przerwy energetyczne, odpowiadające im długości fal oraz typ przejścia wybranych materiałów 7

8 Złącze p-n Równanie charakterystyki prądowo-napięciowej Złącza p-n gdzie jest prądem nasycenia, D h(e) stała dyfuzji W złączu poziomu Fermiego wyrównują się. Polaryzacja powoduje zakrzywienie poziomu Fermiego. Kierunek polaryzacji złącza: przewodzenia zaporowy 8

9 Silne domieszkowanie Poziomy Fermiego znajdują się w: paśmie przewodnictwa dla typu n paśmie walencyjnym - dla typu p 9

10 Homozłącza Przerwy energetyczne półprzewodników złącza są takie same Heterozłącza Przerwy energetyczne półprzewodników złącza są różne Quasi poziomy Fermiego w złączach spolaryzowanych 10

11 Rekombinacja spontaniczna - bezpromienista - promienista Przy przejściach prostych Szybkość rekombinacji r stała rekombinacji 11

12 Stała przejść rekombinacyjnych Kształt linii emisji rekombinacyjnej Widmo rekombinacyjne 12

13 Przejścia wymuszone Przyrost gęstości fotonów netto Przyrost jest dodatni, jeśli jest większe od zera Warunek na wzmocnienie lub Warunek Bernarda - Duraffourga Współczynnik wzmocnienia 13

14 Wewnętrzne Rezonatory Warunek rezonansu (rezonator płaskorównoległy) Różnica częstotliwości między modami Ze względu na dyspersję ośrodka Liczba modów 14

15 Rezonatory wielozwierciadłowe Zwierciadła Bragga (DBR) 15

16 Zwierciadła zewnętrzne Układy podobne do rezonatorów laserów Innych typów 16

17 Prąd progowy Całkowite wzmocnienie Ponieważ w półprzewodnikach zatem współczynnik wzmocnienia N gęstość elektronów wstrzykniętych do obszaru złącza Warunek progowy Współczynnik wzmocnienia = współczynnik strat 17

18 Współczynnik strat Stąd gęstość progowa ładunku progowego a gęstość prądu progowego κ s - prawdopodobieństwo rekombinacji 18

19 Dynamika laserów Równania kinetyczne gdzie: gęstość fotonów, współczynnik przekrywania obsadzenie progowe wyznaczone z warunku progowego: 19

20 Rozwiązanie stacjonarne Modulacja amplitudowa Moc wyjściowa od częstotliwości modulacji Graniczna częstotliwość modulacji: do ok. 20 GHz 20

21 Właściwości promieniowania laserów półprzewodnikowych a b c Moc wyjściowa w funkcji prądu w różnych temperaturach Prądy zasilania: a 100 ma b 80 ma c 67 ma Widmo mocy w różnych temperaturach 21

22 Rozkład przestrzenny promieniowania lasera krawędziowego Pryzmaty anamorficzne 22

23 Lasery homozłączowe Wady: - bardzo duże prądy progowe, - kontrolowany dyfuzyjnie obszar czynny -mała gęstość fotonów Zalety: - idealne dopasowanie stałych sieci 23

24 Lasery heterozłączowe Zalety: - niski i bardzo niski prąd progowy, - ograniczony obszar dyfuzji nośników, -duża gęstość fotonów (efekt światłowodowy) Wady: - defekty wynikające z różnic stałych sieci Przykład 24

25 Lasery niskowymiarowe Materiał objętościowy a studnie kwantowe, druty kwantowe, kropki kwantowe a) Ośrodek objętościowy b) Studnia kwantowa Gęstość stanów: a) trójwymiarowych, b) dwuwymiarowych, c) jednowymiarowych, d) zerowymiarowych c) Drut kwantowy d) Kropka kwantowa 25

26 Studnia kwantowa a) schemat, energia i gęstość stanów, b) schemat pasm energetycznych 26

27 Lasery VCSEL i DFB Zalety: -użycie nanostruktur (niski próg), - łatwość produkcji (epitaksja) (nie dotyczy DFB), - wysoka monochromatyczność, - kontrola rozkładu przestrzennego promieniowania VCSEL DFB Długość emitowanej fali DFB: gdzie 27