Лабораторная работа №3

Исследование полупроводникового лазера на основе GaAs

Методические указания

по выполнению лабораторной работы

Саранск

2011

Методические указания составлены для выполнения лабораторной работы

“Исследование полупроводникового лазера на основе GaAs” по разделу “Квантовая и оптическая электроника”.

Методические указания предназначены для студентов 4 курса специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» очной формы обучения.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Принцип работы полупроводниковых квантовых генераторов.

2. Важнейшие параметры излучательных диодов.

3. Предельная мощность полупроводниковых лазерных диодов.

4. Спектральные свойства излучения лазера на основе GaAs.

5. Пространственное распределение когерентного излучения.

6. Аппаратура для исследования излучения лазерных диодов на основе GaAs.

7. Задание

Исследование полупроводникового лазера на основе GaAs

Цель работы: Изучение характеристики излучения полупроводникового лазера на арсениде галлия.

Введение

Применение полупроводников в качестве рабочих материалов для лазеров привлекло к себе внимание в первую очередь возможностью осуществления непосредственного преобразования энергии электрического тока в энергию когерентного излучения.

Полупроводники обладают рядом характерных свойств, среди которых от люминесцентных кристаллов их отличает электропроводность, а от газовых сис­тем - весьма широкие линии излучения и возможность создания высокой концентраций активных частиц. Эти свойства полупроводни­ков дают полупроводниковым лазерам ряд особенностей, главной из которых является высокий к.п.д., полупроводникового лазера, кото­рый может быть близок 100%. Энергетический спектр полупроводника, обусловленный электронными состояниями, схематически изображен на рис1.

Рис. 1 Энергетические уровни полупроводника

1 – зона проводимости; 2 – уровни доноров; 3 – глубокие уровни; 4 – уровни акцепторов;

5 – валентная зона; 6 – запрещенная зона

В идеальном кристалле он представляет собой широ­кие полосы разрешенных состояний электронов: зону проводимости 1 и валентную зону 5, разделенные зоной запрещенных энергий. Энергетические состояния электронов в зоне проводимости и валентной зоне образуют практически непрерывный спектр собственных значений энергии, зависящий от импульса электрона. В неидеальном кристалле возни­кают уровни энергии 2,3,4, связанные с наличием тех или иных на­рушений кристаллической структуры (примеси, вакансии, дислокации и т.д.).

1 Принцип работы полупроводниковых квантовых генераторов

Для выяснения принципа работы полупроводникового кван­тового генератора рассмотрим собственный полупроводник, находя­щийся при достаточно низкой температуре. В этом случае зона про­водимости практически пуста, а валентная зона заполнена. При поглощении кванта света с энергией, большей ширины запрещенной зоны , генерируется электронно-дырочная пара (рис.2,а). Этот процесс соответствует межзонному переходу и связан с уменьшением энергии электро­магнитного поля. При обратном переходе электрона, который может произойти спонтанно или под действием падающих квантов, электрон рекомбинирует с дыр­кой и избыточная энергия вы­делится в виде кванта, энергия электромагнитного поля при этом возрастёт. Если излучение возникло под действием падающих квантов, то его называют индуцированным (рис. 2,б). В противном случае излучение спонтанное.

Боли в силу каких-либо причин при данной температуре боль­ше половины валентных электронов перейдёт из валентной зоны в зо­ну проводимости, то такое неравновесное состояние называют состоянием с инверсной населённостью (рис. 2,б).

Рис. 2 Генерация пары при поглощении кванта (а) и индуцированном излучении (б).

В таком состоянии система усиливает проходящее через нее излучение, так как число актов рекомбинации, сопровождаемых индуцированным излучением квантов света, больше числа актов генерации, сопровождаемых поглощением света. Для получения состояний с инверсной населенностью можно использовать 3 разновидности переходов электронов: 1 – зона-зона, 2 – зона-примесный уровень (донорный или акцепторный), 3 – переходы между уровнями примеси.

Межзонные переходы бывают прямые и непрямые. При прямых переходах импульс электрона остается неизменным (рис. 3,а). В этом случае закон сохранения импульса:

;

где - импульс электрона в начальном состоянии;

- импульс электрона в конечном состоянии;

- импульс фотона, причем ;

где с – скорость света в вакууме.

Таким образом, при ширине запрещенной зоны =1эВ, величина очень малая. Следовательно переход осуществляется по вертикали без изменения импульса.

Если же переходы не прямые (рис. 3,б), значение импульса электрона в начальном и конечном состояниях будет равным. Переходы сопровождаются не только поглощением или испусканием фотона, но и поглощением или рождением фонона (т.е. кванта энергии колебания решетки). При этом закон сохранения импульса будет иметь вид:

,

где - импульс фонона.

Инверсная населенность может быть достигнута в полупроводниках только путем создания неравновесной концентрации электронов и дырок, то есть за счет неравновесных носителей тока.

Условие инверсной населенности в полупроводнике может быть получено следующим образом:

, (1)

где n – концентрация свободных электронов в зоне проводимости;

- плотность состояний;

m – масса электрона;

E – энергия электрона;

- функция распределения Ферми.

В данном случае является квазиуровнем Ферми и определяется из условия (1).

Рис. 3 Энергетическая структура полупроводника:

а) – нормальная, б) – инверсная населенность.

Инверсная населенность имеет место, если суммарное поглощение в рассматриваемом переходе отрицательно. Для прямых переходов это условие (за вычетом спонтанного излучения) можно представить в виде:

, (2)

Вероятность прямого и обратного переходов одинакова и обозначена , - число фотонов, а и функции распределения электронов в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.

Из условия (2) следует, что > , т.е.

, (3)

где и - энергии квазиуровней Ферми в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.

Соотношение (3) является основным условием инверсной населенности при прямых переходах. В случае непрямых переходов наряду с фотоном излучается и фонон , причем энергия фотона равна начальной энергии электронно-дырочной пары, за вычетом энергии фонона . Последнюю можно определить из значений импульсов и . При достаточно

Рис. 4 Схема межзонных оптических переходов в полупроводнике:

а – прямые переходы; б – непрямые переходы;

1 – зона проводимости; 2 – валентная зона.

низких температурах (kT<< ) в кристалле будет мало фононов и процесс будет идти за счет спонтанного испускания фонона. Условие инверсной населенности получается из неравенства:

, (4)

Где - вероятность перехода;

- число фононов в данном состоянии, которое подчиняется статистике Бозе – Эйнштейна:

, (5)

Из выражения (4) находим:

,

Это выражение эквивалентно

, (6)

Последнее выражение является условием инверсной населенности для непрямых межзонных переходов. Из этого условия следует, что:

а) при - вырождение носителей не обязательно;

б) при условие инверсной населенности можно представить как :

, (7)

где ; ;

и - эффективные массы электрона и дырки соответственно.

Одним из способов получения инверсной населенности является инжекция неравновесных носителей через p-n переход. Если p-n переход сместить в прямом направлении, то в слое пространственного заряда толщиной порядка диффузионной длины возрастет концентрация неравновесных носителей заряда и квазиуровни Ферми мало отличаются от уровней Ферми в p- и n- областях (рис. 5).

Из условия (3) следует, что для получения инверсной населенности при переходах зона- зона полупроводник должен быть вырожден хотя бы в одной части и минимальное значение внешнего напряжения, при котором возникает инверсия населенности, выразится так:

, (8)

Рис. 5. Энергетическая диаграмма вырожденного p-n перехода:

а)- внешнее напряжение отсутствует; б)- внешнее напряжение приложено в прямом направлении.

При переходах зона-примесный уровень условие получения инверсной населенности можно представить в виде:

, (9)

где - энергия связи носителей с примесью.

Поэтому минимальное напряжение в случае переходов зона - примесный уровень определяется из условия:

, (10)

В p-n переходах, образованных высоколегированными полупроводни­ками, инверсная населённость появляется раньше, чем происходит полное снятие потенциального барьера. Плотность тона при этом,

, (11)

где Dn - коэффициент диффузии электронов,

- диффузионная длина.

Отсюда следует, что плотность тока уменьшается с ростом степени вырождения и с понижением температуры. Благодаря этому ин­версную населённость удаётся получить в стационарном режиме.

Внешний вид полупроводникового квантового генератора схема­тически показан на рис. 6

В качестве активного вещества полупроводникового оптичес­кого квантового генератора могут быть использованы арсенид галия, фосфид галия, арсенид индия, фосфид индия, антимонид индия и др.

Размеры кристалла ОКГ на арсениде галия 0,33 х 0,048 cм, порого­вое значение плотности тока порядка 50 а/см² , Такой генератор может развивать мощность в непрерывном режиме работы до 7 ватт

при мощности накачки 30 ватт.

Рис. 6. Схематическое изображение ОКГ на GaAs:

1- молибденовая пластина, покрытая слоем золота; 2- электрические проводники;

3- излучение; 4- область p-типа; 5- область n-типа;

6- полированные торцовые поверхности; 7- переход.