Lasery i diody półprzewodnikowe

Prezentacja na temat: "Lasery i diody półprzewodnikowe"— Zapis prezentacji:

1 Lasery i diody półprzewodnikowe
(optoelektronika)

2 Lasery i diody półprzewodnikowe
(optoelektronika) llas = nm

3 inne przykłady systemy oświetleniowe

4 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.

5 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)

6 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

7 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

8 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.

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

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

11 (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)

12 absorpcja, emisja spontaniczna i emisja wymuszona

13

14 absorpcja optyczna E=hn Eg

15 Eg [eV]

16 Związki mieszane

17

18

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

20 Jak uzyskać inwersję obsadzeń?

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

22 Inwersja obsadzeń w złączu pn spolaryzowanym w kierunku przewodzenia

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

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

25 DEL - emisja powierzchniowa

26 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

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

28 Mono- czy hetero-złącze?
Ograniczenie rozpływu elektronów fotonów

29 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

30 Laser bi-heterosłączowy

31 Mono- czy hetero-złącze?

32 Mono- czy hetero-złącze?

33 Schemat struktury paskowego lasera heterozłaczowego

34

35 Struktura modowa i zależności temperaturowe

36 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

37