Светодиоды и полупроводниковые лазеры Выполнили: Ларькин И. Бугров П.

- электроны - «дырки» Прямозонные и непрямозонные полупроводники Зонная диаграмма прямозонного полупроводника

Прямозонные и непрямозонные полупроводники Зонная диаграмма непрямозонного полупроводника - электроны - дырки

Светодиоды Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый прибор (p-n переход), излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: – –с излучением в видимой части спектра – светодиоды; – –с излучением в инфракрасной части спектра - диоды ИК- излучения. Светодиоды выпускаются красного, оранжевого, зеленого, желтого, голубого, фиолетового, белого цветов свечения, а также с переменным цветом свечения. Светодиоды чаще всего используют как индикаторные устройства. Поскольку глаз чувствителен только к свету с энергией hv~1.8 эВ (~0.7 мкм), то полупроводники, которые могут быть использованы для создания светодиодов видимого диапазона, должны иметь ширину запрещённой зоны больше этого значения. На практике наибольший интерес представляет GaAs(1-x)Px.

Светодиоды Диаграмма хроматичности Диаграмма показывает соотношение между тремя основными компонентами цвета (красный, зеленый, синий), необходимыми для получения заданного цвета.

Светодиоды Энергетическая зонная структура GaAs(1-x)P(x). Значение состава соответствует цветам: х=0,4 – красному; х=0,65 – оранжевому; х=0,85 – желтому; х=1,0 – зеленому.

Светодиоды Спектральные характеристики светодиодов изготовленных из различных материалов

Светодиоды Принцип действия Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном p-n переходе, где Lp - диффузионная длина (~250 мкм).

Светодиоды Среди светодиодных структур основной является структура с плоской геометрией. Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) - на подложках GaP (б). При использовании подложки GaAs на неё наращивается переходный слой GaAs(1-x)Px переменного состава с х, изменяющимся в пределах , а затем слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом.

Светодиоды Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их часть, которая проходит через поверхность. Уменьшение количества излучаемых светодиодом фотонов обусловлено поглощением в материале светодиода, потерями за счёт отражения и потерями за счёт полного внутреннего отражения. Потери, связанные с поглощением, весьма существенны в светодиодах на подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых переходом. В светодиодах на подложках GaP (б) поглощение составляет ~25%, и эффективность излучения может быть существенно увеличена.

Светодиоды На рисунке показаны поперечные разрезы светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усечённо сферическую геометрию.

Светодиоды Полная эффективность преобразования электрического сигнала в оптический даётся следующим выражением:

Светодиоды Отличием структур с параболической, полусферической и усеченно- сферической геометрией от структур с плоской геометрией является то, что в у первых, из перечисленных выше, телесный угол равен 1. Таким образом отношение эффективностей равно: Диаграмма направленности красного светодиода АЛ112

Светодиоды Инфракрасные светодиоды Областями применения диодов ИК-излучения являются оптронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления. Наиболее распространённый в настоящее время инфракрасный источник - это светодиод на основе GaAs. Он обладает наибольшей эффективностью электролюминесценции в основном благодаря тому, что среди всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники, имеющие запрещённую зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твёрдые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы(GaInAsP).

Светодиоды Светодиоды на соединениях нитрида галия Голубой светодиод с двойной гетероструктурой Зеленый светодиод с квантовой ямой

Светодиоды Примеры светодиодов

Полупроводниковые лазеры Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через него электрического тока. Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через него электрического тока. 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.

Полупроводниковые лазеры 1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала. 2. 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. 3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления). 4. 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. 1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала. 2. 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. 3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления). 4. 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.

Полупроводниковые лазеры Материалы для полупроводниковых лазеров В качестве материалов, используемых в полупроводниковых лазерах применяются полупроводники с прямой запрещенной зоной. Это обусловлено тем, что излучательные переходы в прямозонных полупроводниках представляют собой процесс первого порядка и вероятность переходов высока. В полупроводниках с непрямой зоной излучательная рекомбинация выступает как размер второго порядка, так что вероятность излучательных переходов существенно ниже. Кроме того, в непрямозонных полупроводниках при увеличении степени возбуждения, потери, связанные с поглощением излучения на инжектированных свободных носителях, возрастают быстрее, чем усиление.

Полупроводниковые лазеры Принцип работы лазера Е2 Е1 Е2 Е1 Е2 hν Поглощение Спонтанное излучение Стимулированное излучение (в фазе) hν

Полупроводниковые лазеры Виды полупроводниковых лазеров: 1. На гомопереходе; 1. На двойном гетеропереходе.

Полупроводниковые лазеры На гомопереходе: p Efn Eg Eg n p ΔE Efn n В отсутствии смещения При смещении в прямом направлении акт. обл

Полупроводниковые лазеры Структура лазера на гомопереходе:

Полупроводниковые лазеры Зонные диаграммы на гетеропереходе: а – чередование слоев в лазерной двойной n-p-p+ гетероструктуре б – при нулевом напряжении в – в активном режиме генерации лазерного излучения

Полупроводниковые лазеры Приборная реализация лазерного диода: В этом лазерном диоде реализованы два перехода между различными материалами. Лазер получил возможность работать при комнатной температуре. Пороговый ток около 50 мА, КПД до 60%.

Полупроводниковые лазеры Пороговая плотность тока Т, К 5* Пороговая плотность тока, А/см 2 Гомоструктура Структура с одним гетеропереходом (d=5мкм) Двойная гетероструктура (d=0,5мкм) Для гомоструктур пороговая плотность тока быстро увеличивается с ростом температуры. При комнатной температуре она составляет 5*10 4 A/см2. Здесь приведена зависимость J th от рабочей температуры для трех лазерных структур. Самая слабая зависимость наблюдается для лазеров на двойных гетероструктурах. J th в ДГ-лазерах при 300К может достигать значений порядка 10 3 А/см2 и менее.

Полупроводниковые лазеры Применение: Оптоэлектроника Системы записи и считывания информации. Считывающие головки в компакт-дисковых системах, оптические диски для ПЗУ и ОЗУ. Волоконно-оптическая связь (GaAs). В будущем, будет использован лазер на четверном сплаве InGaAsP с большим сроком службы (около 5×105 часов). Ультраширокополосный полупроводниковый лазер (Bell Labs). Оптические коммуникации. Чувствительные химические детекторы. Анализаторы дыхания и загрязнения атмосферы. Каскадные лазеры. В физико-техническом института им.А.Ф.Иоффе получены лазеры с рекордными мощностными характеристиками. Достигнута выходная плотность мощности 40 МВт/см2. Предыдущий рекорд для всех типов лазерных диодов - 19 МВт/см2. КПД - 66 %. И другое