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

elektron
dziura

Energia

Złącze p-n

What is a Diode?

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

Krzem i jego własności

How Semiconductors
Work

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

Laser z emisją krawędziową, z

rezonatorem Fabry-Perota

Britney's Guide to Semiconductor Phy
sics

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

Różne typy laserów typu VIXEL

Britney's Guide to Semiconductor Physics

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