TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Polovodičové zdroje fotonů Přehledový učební text Roman Doleček Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 Energie elektronů v atomech nabývají hodnot označovaných jako energetické hladiny. Interval, ve kterém se může energie elektronu měnit je nazýván pásmem. Každý pás může obsahovat určitý počet elektronových stavů a může být zaplněn úplně, nebo jen částečně, přičemž eletrony zaplňují energetické hladiny od nejnižších výše. Elektrické vlastnosti pevných látek závisí na uspořádání periodické krystalické mřížky atomů. Dovolené elektronové stavy se vyskytují uvnitř definovaného pásu energií. Mezi těmito pásy existují energetické intervaly, které nejsou obsazeny žádnými elektrony. Nejnižší zaplněný pás se nazývá valenční. Vyšší obsaditelný energetický pás je vodivostní. Pevné látky mající plně obsazený valenční pás a vodivostní prázdný nazýváme dielektriky nebo polovodiči (zde záleží na velikosti zakázaného pásu mezi valenčním pásmem a vodivostním). Vodivost polovodiče při teplotě absolutní nuly je nulová. Se vrůstající teplotou jsou elektrony tepelně excitovány a dostávají se z valenčního pásma do vodivostního. Tím vzniká elektronděrový pár. Důležitá vlastnost polovodičů je, že některé příměsi ovlivňují jejich elektrické vlastnosti, především jejich vodivost. Legováním (přidáváním směsí) se ovlivňuje koncentrace nosiců N a P. Do vodivostního pásu kryst. mřížky se přidávají příměsy typu N tzv. donory. Opačný typ dopantů jsou akceptory. LED (z angl. light-emitting diod) Záření emitované polovodičovými materiály vzniká v důsledku elektron-děrové rekombinace. Při běžné pokojové teplotě je koncentrace tepelně vybuzených elektronů a děr velmi malá, aby materiál byl schopen emitovat detekovatelné záření (např. 2μm silná vrstva GaAs vyzařuje zanedbatelnou intenzitu W/cm 2 ). Aby došlo k vybuzení dostatečného počtu elektronděrových párů a tím i zvýšení intenzity záření (luminiscence) je možné ozářit materiál světlem, ale spíše se toho dosahuje zapojením přechod p-n v propustném směru což má za následek injekci elektronů a děr do téže prostorové oblasti. Výsledné záření se nazývá injekční elektroluminiscence (výsledná intenzita je přibližně krát větší než vyzařovaná intenzita při tepelné rovnováze). Tok fotonů Φ (fotony za sekundu) generovaný v objemu V polovodičového materiálu je přímo úměrný rychlosti injekce elektron-děrových párů R (pár/cm 3. s). Vnitřní kvantovou účinností η i pak nazýváme poměr generovaného toku fotonů k toku injektovaných párů φ = η i RV. K výrobě LED (a injekčních laserů) se obvykle používají polovodiče s přímým zakázaným pásmem vzhledem v mnohem vyšší kvant. účinnosti oproti polovodičům s nepřímým zakázaným pásmem. Ačkoliv η i může v určitých LED dosahovat hodnot blízkých 1, vnější kvantová účinnost (zahrnutí jak η i tak i účinnosti s jakou fotony vystupují ze struktury) je mnohem menší než 1 z důvodů reabsorbce záření v součástce a existence vnitřních odrazů na rozhraních (materiály ze kterých se LED vyrábějí, mají poměrně vysoký index lomu a na rozhraní se vzduchem dochází k totálním odrazům. Z toho důvodu se překrývají vrchlíky mající odrazy částečně potlačit). Polovodičové lasery Funkce polovodičového laseru je spjata s procesem stimulované emise záření v aktivním polovodičovém materiálu při kvantových přechodech elektronů z vodivostního pásu do valenčního (přičemž dochází k zářivé rekombinaci elektronů a děr). Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál obsahující volné nosiče náboje. Zářivý přechod se pak uskutečňuje mezi dovolenými energetickými pásy (na rozdíl od ostatních laserů, kde se tak děje přechodem mezi energet. hladinami). Aby mohlo dojít ke generování koherenčního záření je potřeba zajistit 2

3 inverzní populaci (zajišťující převahu stimulované emise nad absorbcí) kladou zpětnou vazbu Inverzní populace se dosahuje čerpáním. Čerpání je možné zajistit vnějším zářením (za předpokladu, že energie dopadající částice je větší než šířka zakázaného pásma). Částice jsou v polovodiči absorbovány a generují páry nosičů. Praktičtějším způsobem čerpání polovodiče je injekce elektronů a děr přechodem p-n (tzv. injekční laser). Podobně jako u LED je přechod v propustném směru, čímž dochází do oblasti přechodu k injekci minoritních nosičů (el. do p, díry do n) a tím i k zářivé rekombinaci. (Rozdíl mezi LED a laserovou diodou je ve způsobu generování záření. U LED je záření generováno spontánní emisí, zatímco záření laserové diody vzniká stimulovanou emisí.) Zpětná vazba je vytvořena planparalelním rezonátorem ohraničeného zrcadly, která se obvykle získávají štípáním (či řezáním a následným leštěním) polovodičového materiálu podél krystalových ploch. Velký rozdíl indexu lomu mezi krystalem a okolním vzduchem zajišťuje dostatečný činitel odrazu takto vytvořených zrcadel rezonátoru. V porovnání s ostatními typy laserů vyvstává řada výhod: malé rozměry, vysoká účinnost, snadné čerpání, snadná výroba a integrovatelnost s elektrickými součástkami (vzhledem k tomu, že je výroba polovodičových součástek dnes již dobře zvládnuta). Nevýhodou je rozbíhavost generovaného záření (záření je soustředěno do velmi úzké oblasti p-n přechodu -řádově μm, difrakce potom vede k rozbíhavosti svazku. Vějířovitý svazek je charakteristický pro všechny polovodičové lasery). Další nevýhodou je velká teplotní závislost, která ovlivňuje výkon laseru. Polovodičové lasery mají velmi velkou škálu použití. V rámci samotné laserové techniky se jich využívá jako zdroje buzení pevnolátkových laserů. Typy polovodičových laserů heterostrukturní V takovémto uspořádání jsou po obou stranách (nebo i na jedné straně) p-n přechodu (aktivního prostředí) vytvořeny vrstvy s větší šířkou zakázaného pásu. Rovněž je i zmenšen průřez aktivní oblasti (až na 100nm). Tím je docíleno, že se injektované nosiče hromadí uvnitř velmi tenké aktivní vrstvy mezi dvěma bariérami heteropřechodu bez možnosti difundovat do okolních vrstev. Režimu laserování je pak dosaženo daleko nižším prahovým proudem. (převzato z homostrukturní Laser je tvořen přechodem p-n. Šířka aktivní vrstvy je určena difúzní délkou minoritních nosičů. 3

4 (převzato z hranově vyzařující Hranově emitující dioda vysílá záření z hrany oblasti přechodu. Ve výrobě i aplikacích laserových diod zatím převládá. plošně vyzařující Záření je emitováno z plochy součástky rovnoběžné s rovinou přechodu. Záření emitované z protilehlé plochy je pohlceno substrátem nebo se odráží od kovového kontaktu. Ploště vyzařující diody jsou obvykle účinnější než hranově emitující. V kombinaci s heterostrukturami vykazují nejlepší parametry. (a) (b) (a)plošně vyzařující dioda. (b)hranově vyzařující dioda. Polovodičové lasery pracují na různých vlnových délkách ve spektru od ultrafialové až po infračervenou, jak je ukázáno na následujícím obrázku. (Převzato z Základy fotoniky3 Saleh a Teich) 4

5 Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. 5