Lasery i diody półprzewodnikowe (optoelektronika)

Lasery i diody półprzewodnikowe (optoelektronika) llas = 405.8 nm

inne przykłady systemy oświetleniowe

2 s Band Pokrywające się pasma energetyczne Elektrony p 3 1 METAL ATOM E=0 Swobodny elektron Energia elektronu E 3s Band Poziom próżni W metalu liczne pasma energii pokrywają się dając jedno pasmo, które jest tylko częściowo zajęte przez elektrony. Istnieją stany o energiach sięgających poziomu próżni wolne od elektronów.

Elektronowa struktura pasmowa kryształów (pasma i przerwy energetyczne, izolator, metal, półmetal, półprzewodnik samoistny i domieszkowany) pasma (dozwolone) całkowicie zajęte lub całkowicie puste 1 lub 2 pasma nieznacznie wypełnione lub niezn. nieobsadzone jedno z pasm (dozwolonych) wypełnione częściowo (~10%-90% wypełnienia)

f(E) - funkcja Fermiego Aby poznać koncentracje nośników n(E) i p(E) w funkcji ich energii trzeba znać: gęstość stanów D(E) oraz prawdopodobieństwo, że każdy ze stanów jest zajęty f(E) f(E) D(E) dla elektronów elektrony f(E) - funkcja Fermiego dziury

Zjawiska optyczne w półprzewodnikach 1 - przejścia międzypasmowe kreacja pary elektron-dziura 2 - przejścia między poziomami domieszkowymi np akceptorowy Hg w Ge (mat typu p), EA: lA=14 mm 3 - przejścia wewnątrzpasmowe swobodnych nośników np w paśmie przewodzenia 4 - fononowe fotony o niskich energiach, czyli l bardzo duże, mogą tracić energię przez bezpośrednie oddziaływanie z drganiami sieci 5 - przejścia ekscytonowe absorpcja fotonu może doprowadzić do formacji e+ i e- będących związanych siłami oddziaływania kulombowskiego

Zjawiska optyczne w półprzewodnikach W wolnej przestrzeni, mamy dla elektronu gdzie: p - pęd k - wartość wektora falowego E-k w wolnej przestrzeni to parabola Ruch elektronów i dziur w paśmie przewodzenia i podstawowym ma różną dynamikę opisywaną r. Schrodingera w periodycznej sieci materiału. E jest okresową funkcją składowych (k1,k2,k3) wektora falowego K, o okresowości (p/a1, p/a2, p/a3), gdzie ai są stałymi sieci krystalicznej. Kryształy są najczęściej anizotropowe, czyli E elektronu w paśmie przewodnictwa zależy nie tylko od wartości momentu pędu ale również od kierunku ruchu.

Zjawiska optyczne w półprzewodnikach [111] [100] [111] [100] Przerwa energetyczna prosta skośna

Zjawiska optyczne w półprzewodnikach W materiale ze skośną przerwą energetyczną mamy oddziaływania trzyciałowe: elektron-foton-fonon

(VB, valence band; CB, conduction band) k – D i r e c t a n d g p P h o v ( ) G A s b S I , (a) Absorpcja fotonu w półprzewodniku z prostą przerwą zabronioną (b) Absorpcja fotonu w półprzewodniku ze skośną przerwą zabronioną (VB, valence band; CB, conduction band)

absorpcja, emisja spontaniczna i emisja wymuszona

absorpcja optyczna E=hn Eg

Eg [eV]

Związki mieszane

oświetlając półprzewodnik w złączu p-n Jak uzyskać inwersję obsadzeń? gęstość stanów

Jak uzyskać inwersję obsadzeń?

Rekombinacja promienista elektronów i dziur w złączu pn spolaryzowanym w kierunku przewodzenia

Inwersja obsadzeń w złączu pn spolaryzowanym w kierunku przewodzenia

tr=czas rekombinacji e-h Wzmocnienie tr=czas rekombinacji e-h

DEL - emisja powierzchniowa i krawędziowa światło światło heterostruktura (a) emisja powierzchniowa (b) emisja krawędziowa © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

DEL - emisja powierzchniowa

DEL - emisja powierzchniowa Emisja światła (część światła przechodzi do podłoża) 5 m warstwa tlenku p-GaAs0.6P0.4 50 m n-GaAs0.6P0.4 200 m n-GaAs podłoże Kontakty metalowe

Laser półprzewodnikowy inwersja w wyniku wstrzykiwania nośników Laser półprzewodnikowy progowa gęstość prądu zwierciadła

Mono- czy hetero-złącze? Ograniczenie rozpływu elektronów fotonów

Mono- czy hetero-złącze? n-GaAs p-GaAlAs p-GaAs Pole optyczne wzmocnienie straty Bi-heterozłącze n-GaAs P-GaAlAs p-GaAs Pole optyczne wzmocnienie N-GaAlAs straty współczynnik załamania

Laser bi-heterosłączowy

Mono- czy hetero-złącze?

Mono- czy hetero-złącze?

Schemat struktury paskowego lasera heterozłaczowego

Struktura modowa i zależności temperaturowe

Rozłożone sprzężenie zwrotne, reflektor Bragga Corrugated dielectric structure DBR ( a ) b A B L q l /2 n ) = Active layer (a) Distributed Bragg reflection (DBR) laser principle. (b) Partially reflected waves at the corrugations can only constitute a reflected wave when the wavelength satisfies the Bragg condition. Reflected waves A and B interfere constructive when