Полупроводниковые лазеры

Минобрнауки России

ФЕДЕРАЛЬНОЕ   Государственное БЮджЕТНОЕ образовательное учреждение ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Омский государственный  технический университет»

 

Дисциплина: «Физические  основы электроники»

 

Реферат

 

Полупроводниковые лазеры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                

 

 

 

 

 

 

 

1. Полупроводниковые лазеры, подобно другим лазерам (таким, как рубиновый лазер или же лазер на смеси He - Ne), испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени. Это означает, что излучение лазера высоко монохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковые лазеры существенно отличаются от лазеров других типов.

а) В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала.

 б) Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.

 в) Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависит от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).

 г) В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах.

Диапазон длин волн лазерного  излучения охватывает область спектра  от ультрафиолетовой до инфракрасной. В интервале длин волн вблизи 0,9 мкм в качестве источников излучения используется гетеролазеры на основе GaAs-Al(x)Ga(1-x)As. Вблизи длины волны 1,3 мкм в ВОЛС волокно имеет низкие потери (0.6 ДБ/км) и слабую дисперсию, а в окрестности длины волны 1,55 мкм потери достигают минимального значения (0,2 дБ/км), поэтому в качестве источников излучения могут использоваться лазеры на основе Ga(x)In(1-x)As(y)P(1-y)-InP.

      

 

 

Стимулированное излучение.

Работа лазера связана  с тремя основными процессами, обусловленными переходом носителей: поглощения, спонтанной эмиссии и  стимулированным излучением. Рассмотрим два энергетических уровня E1 и Е2, один из которых Е1 характеризует основное, а другой Е2 - возбужденное состояние

Любой переход между этими  состояниями сопровождается испусканием  или поглощением фотона с частотой ν₁₂, определяемой из соотношения hν₁₂=E2-E1. При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hν₁₂. Атом в состоянии E1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е2. Это и составляет процесс поглощения излучения. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией hν₁₂ (спонтанная эмиссия). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10^-9 - 10^-3 с, в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или не прямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией hν₁₂, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν₁₂ и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).

На рис. показана базовая  структура лазера с p-n переходом. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо. Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока. Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором создаются условия для стимулированного излучения, и р-n переход испускает монохроматичный строго направленный луч света.

Для изготовления лазеров  используют полупроводники с прямыми  зонами, например GaAs или GaAlAs, в которых возможны переходы электронов без участия фотонов. Создание инверсной заселённости уровней происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче достигается в гетеропереходах (гомопереходы - p - n - переходы, созданные в одном и том же веществе, гетеропереходы получают между p - и n - областями материалов с различной шириной запрещённой зоны, что даёт, например, многоступенчатую форму p - n - перехода), изготовленных на основе материалов с высокой концентрацией примесей. Усиление света происходит только вдоль направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области p - n - перехода через полупрозрачную отражающую поверхность выходит узкий луч когерентного излучения.

На рис. приведена энергетическая зонная диаграмма лазера в присутствии  внешнего напряжения U

Через p - n - переход инжектируются электроны из n - области I в активную область II (толщиной ~ 1мкм), где происходит излучение фотонов с энергией hv=1.4эВ. Переход типа p - p+, т.е. несимметрично легированная область, между p - областью II и областью III создаёт барьер для электронов, попавших в активную II, и способствует накоплению электронов в этой области. Лазерный эффект достигается при определённых пороговых значениях тока через переход (примерно  при 300K). Начиная с этих значений тока спектральная полоса излучения значительно сужается. Для уменьшения рабочих токов и ослабления нагрева активный слой часто сокращают до полоски шириной 5 - 20 мкм, идущей от одной отражающей поверхности до другой. Этого достигают применением узкого металлического электрода (верхнего на рис.). У подобных устройств снижается как пороговый ток (примерно до 100 мА при комнатной температуре), так и инерционность вследствие уменьшения ёмкости переходов.

В качестве материала, инжектирующего электроны (вместо n - GaAs) может быть использован более широкозонный  (рис.). В этом случае активный слой GaAs p - типа располагается между двумя широкозонными полупроводниками p - GaAlAs и n - GaAlAs, которые обладают более низким коэффициентом преломления. Это приводит к усилению отражения света от боковых слоёв и, следовательно, к уменьшению потерь света.

Мощность излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет около 0.1 Вт. В случае импульсного  возбуждения мощность может быть значительно повышена, т.к. нагрев прибора  будет ослаблен. КПД инжекционных лазеров достигает 50%, инерционность  составляет 1 - 10^-9 c, напряжение питания не превышает 3В, а размеры нескольких мм. Модуляция светового тока может осуществляться изменением напряжения.

Наиболее легко и эффективно инверсия населенности достигается  в p-n-переходах за счет инжекции электронов.

Известно, что в сильнолегированных (вырожденных) полупроводниках, когда  одному и тому же значению энергии  соответствуют различные электронные  или дырочные состояния, в p- и n-областях уровни Ферми находятся в пределах разрешенных зон и при тепловом равновесии эти уровни для электронов и дырок совпадают (рис.а).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В области p-n-перехода образуется потенциальный барьер, не позволяющий  переходить основным носителям из зоны в зону. Если же к переходу приложить  напряжение U в прямом направлении, то потенциальный барьер в области p-n-перехода уменьшается на значение энергии, соответствующей этому напряжению. Как правило, это напряжение оказывается приложенным к переходу, вследствие чего равновесие носителей тока нарушается. Если при тепловом равновесии распределение электронов и дырок можно было описать с помощью квазиуровня Ферми, то при наличии приложенного электрического поля заполнение состояний нужно рассматривать отдельно для зоны проводимости и отдельно для валентной зоны. При включении прямого смещения возникает диффузионный поток электронов через p-n-переход, который стремится поднять квазиуровень Ферми Fn  для электронов в  
p-n-области до его уровня в n-области.

Инжектированные электроны  после диффундирования на небольшое расстояние, определяемое диффузионной длинной, рекомбинируют с дырками; в результате возникает стационарное состояние, при котором скорость рекомбинации электронов в точности сбалансирована скоростью их инжекции. Совершенно аналогичны рассуждения и для дырок в валентной зоне. При наличии стационарного состояния положение квазиуровней Ферми для двух типов носителей в области перехода меняется (рис. б). Основные носители вытягиваются из контакта, чтобы обеспечить условие нейтральности. В настоящее время лазерные диоды в основном изготовляют из GaAs или Ga_1-xAl_xAs. Структура лазерного диода на p-n-переходе представлена на рис.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Деградация лазеров.

Деградация инжекционных лазеров обусловлена целым рядом  механизмов. Выделяют три основных типа деградации: 1) катастрофическое разрушение; 2) образование дефектов темных линий; 3) постепенная деградация.

Катастрофическое разрушение происходит под действием больших  мощностей излучения, приводящих к  непрерывному повреждению зеркал лазера вследствие образования на их поверхности  ямок и канавок.

Дефекты темных линий представляют собой сетку дислокаций, которые  могут формироваться в процессе работы лазера и внедряться внутрь резонатора. Появившись, она может  сильно разрастись в течение нескольких часов и вызвать увеличение плотности  порогового тока.

Источники:

http://www.laser-portal.ru

www.teh-lib.ru

thesaurus.rusnano.com/wiki/article23828