Diody świecące i lasery
półprzewodnikowe
Diody świecące i lasery
półprzewodnikowe
Od poziomów energetycznych w
atomie do pasm energetycznych w
krysztale
Energia
Pasma energetyczne
Poziom 1
Poziom 2
Odległość atomów
Pasmo, czyli zbiór poziomów
energetycznych
Złącze p-n
• Złącze p-n spolaryzowane
w kierunku przewodzenia
• Energia emitowanego
promieniowania pochodzi z
rekombinacji pary dziura–
elektron w półprzewodniku
• Elektron i dziura
spotykając się w obszarze
złącza mogą ulec
rekombinacji promienistej -
energia w całości lub
większej części jest
przekazywana fotonowi i
wraz z nim
wypromieniowana
kierunek przepływu prądu
P
N
+
–
kierunek ruchu elektronów
Typ n
„wolny” elektron
„wolny” elektron
Pasmo walencyjne
Pasmo przewodzenia
Poziomy
donorowe
Typ p
Pasmo walencyjne
Pasmo przewodzenia
Poziomy
akceptorowe
Dziura
Dziura
Homozłączowe diody DEL
Powierzchniowa dioda
elektroluminescencyjna
Dioda superluminescencyjna
Rodzaj półprzewodnika
decyduje o długości
emitowanej fali
Materiał
Długość fali [μm]
AlGaInP
0,65-0,68
Ga
0,5
In
0,5
P
0,67
Ga
1-x
Al
x
As
0,62-0,9
GaAs
0,9
In
0,2
Ga
0,8
As
0,98
In
0,73
Ga
0,27
As
0,58
P
0,42
1,31
In
0,58
Ga
0,42
As
0,9
P
0,1
1,55
Rezonator
Moc emitowana przez laser
półprzewodnikowy od prądu
• Dla zainicjowania akcji
laserowej prąd zasilający
musi mieć odpowiednią
wartość zwaną prądem
progowym I
• Zmiany natężenia prądu
zmieniając ilość
wstrzykiwanych nośników
przekładają się na
modulację natężenia
emitowanego światła
Moc
świetlna
Natężenie
prądu
Emisja
wymuszon
a
Emisja
spontaniczna
Prąd
progow
y
Charakterystyki widmowe
lasera półprzewodnikowego
• poniżej progu wzbudzenia
– dioda
elektroluminescencyjna
• powyżej progu wzbudzenia
– dioda laserowa
0,85
1
0,84
9
0,84
7
0,84
5
0,84
3
0,84
1
0,83
9
dioda
elektroluminescencyjna
dioda
laserowa
= 0,15
[nm]
= 4,5 [nm]
[m]
Geometria wiązki lasera pp
45
o
9
o
Pasma dla heterostruktury NpP (n
+
pp
+
)
AlGaAs/GaAs/AlGaAs
Lasery o właściwościach
wyznaczonych przez wzmocnienie
optyczne
• W laserach tych prąd jest
wstrzykiwany jedynie w
wąskim pasku. Takie lasery
są nazywane laserami o
geometrii paskowej
• Wstrzykiwanie to powoduje
zmienny rozkład nośników
w płaszczyźnie złącza, z
maksimum w środku
paska, pokrywającym się, z
maksimum wzmocnienia
optycznego
Rejon dyfuzyjny typu p
n - AlGaAs
Warstwa
aktywna
p - GaAs
p - AlGaAs
n - AlGaAs
n - GaAs
+
–
Lasery, z prowadzeniem światła jest
przez odpowiednie ukształtowanie
współczynnika załamania
• Falowód ten jest wykonany
przez wprowadzenie
odpowiednich skokowych
zmian współczynnika
załamania
• W tych laserach obszar, w
którym prowadzone jest
światło, określono przez
uformowanie falowodu
wzdłuż złącza
Kontakt
SiO
2
Warstwa
aktywna
lnGaAsP
p - lnP
n - lnP
n
+
- lnP
Podłoże
SiO
2
Lasery z wieloma studniami
kwantowymi (MQW)
~>hf
Rejon aktywny
Bariera
Pasmo
przewodzenia
Pasmo
walencyjne
Lasery z rozłożonym
sprzężeniem zwrotnym i
odbiciem Bragga
Warstwa
aktywna
p
n
Siatka
Warstwa
aktywna
p
n
DBR
DBR
DFB
DBR
Trzysekcyjny laser DBR
Sterowanie fazą
p - lnP
Warstwa aktywna
Siatka
Falowód
n - lnP
I
A
I
P
I
G
Najnowsze osiągnięcia i
konstrukcje
• Lasery VCSEL (vixel)
• Lasery niebieskie
Metalic Reflector VCSEL
Etched Well VCSEL
Air Post VCSEL
Burried Regrowth VCSEL
Podsumowanie
• Lasery półprzewodnikowe, ciągle udoskonalane,
obejmujące coraz szerszy zakres widma częstości i
generujące promieniowanie nawet o znacznych
mocach stanowią prawdziwy przełom w technice
laserowej
• Są produkowane masowo i stosowane w wielu
powszechnie używanych urządzeniach
• Dzięki takim zaletom, jak małe wymiary, łatwość
modulacji emitowanego promieniowania,
niezawodność pracy i proste zasilanie znalazły
szerokie zastosowanie jako źródło modulowanego
promieniowania w telekomunikacji światłowodowej
• W sprzęcie powszechnego użytku stosuje się lasery w
odtwarzaczach i napędach optycznych przy odczycie
informacji optycznej zapisanej na płytach CD
