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Medios de ganancia de semiconductores-Estructura, Espectro

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En esta conferencia, nos fijaremos en los fundamentos de algunas estructuras de diodos LED y láser.
Doble diseño de estructura Hetero

La estructura básica y el medio de ganancia de un diodo láser son también los mismos que de LED. En los diodos láser, tenemos algunos espejos adicionales que se fabrican en las facetas finales, pero el material utilizado para la generación de fotones y el mecanismo de generación de fotones son similares para los LED y los diodos láser. Por lo general, es una unión de pn prejuiciada que se muestra en la figura anterior.
El diodo de union de pn se forma tipicamente por doping el substrato semiconductor con material de tipo p y tipo n como se muestra, y la region de agotamiento se forma en la union a traves de la estructura como se muestra. Hay un contacto metálico a través del cual se permite que la corriente de inyección fluya a través del diodo. Las recombinaciones suelen ocurrir en la región de agotamiento, con anchos típicos de 1-10 μm en la mayoría de los materiales semiconductores. El ancho de la región de depleción se decide por la concentración de corriente de inyección y dopante. Ahora, este tipo de estructura se llama homo-junction porque el material que constituye el p-type y el doping n-type tiene la misma bandgap. Dado que la bandgap a ambos lados del cruce es la misma, no hay posibilidad de confinamiento de los transportistas. Esto significa que en la presencia de una corriente de inyección I, los portadores se generan en cualquier lugar dentro de este ancho de la región de agotamiento y por lo tanto, las recombinaciones pueden realmente ocurrir en una forma ampliamente distribuida sobre toda esta región de agotamiento. Es una forma muy ineficiente de generar luz. Se traduce en una eficiencia cuántica interna muy baja. Inicialmente se hicieron LEDs con este tipo de arreglo. Sin embargo, una modificación que es más popular es un hetero-junction, fabricado en una estructura de semiconductores. La unión hetero consta de una doble heteroestructura, descrita a continuación.

La doble heteroestructura consiste en doping tipo p y tipo n como antes. Sin embargo, esta estructura es diferente de la unión homo en que, una capa fina activa se cultiva entre los dos materiales dopados de tipo p y n. El espacio de banda del material de tipo p y n se elige para ser idéntico (Eg1). El espesor de esta capa activa es de aproximadamente 0,1 μm, que son varios órdenes de magnitud más pequeños que el ancho de la región de agotamiento en sí. El material para la capa delgada se elige de tal manera que la diferencia de banda de ese material es menor que Eg1. Esto da como resultado dos beneficios-confinamiento portador y confinamiento óptico. La estructura de la banda se muestra en la derecha, que muestra el nivel de energía más bajo de la banda de conducción y el nivel de energía más alto de la banda de valencia.
En la presencia de una corriente inclinada hacia adelante, se inyectan orificios desde el lado de la p y los electrones se inyectan desde el lado de n hacia la unión. Sin embargo, hay un gran potencial bien en el cruce debido a la diferencia en las brechas de banda, debido a que todos los transportistas se confinan en esta región activa. Esto resulta en el confinamiento de los transportistas. Puesto que la anchura de la capa activa es mucho menor, la densidad del portador se hace más grande. La densidad portadora más grande aumenta la posibilidad de recombinaciones radiativas y por lo tanto, el proceso de crecimiento de una capa fina activa entre el tipo p y el n-tipo ayuda a incrementar la recombinación radiativa. Ahora, el segundo beneficio es el confinamiento óptico. En los semiconductores, se encuentra que los materiales con un espacio de banda mayor tienen índices de refracción más pequeños. Esto significa que la luz emitida en la región activa de bandgap inferior realmente experimenta el índice de refracción superior. La trama en rojo muestra el perfil de índice de refracción a través de la banda para una doble heteroestructura. Los fotones generados en la región activa están atrapados en una región de índice de refracción superior. Por lo tanto, la estructura actúa como una guía de onda. De hecho, el perfil de índice de refracción de una fibra de índice de paso se ve exactamente similar al perfil que se muestra aquí. La condición de límite impuesta por este perfil de índice de refracción sólo permite patrones de campo transversales específicos, también denominados modos transversales de la guía de onda. Dependiendo del contraste de índice de refracción y el ancho de la capa activa, la estructura puede soportar la operación de un solo modo para una longitud de onda determinada, que es el modo de operación más preferido en los sistemas de comunicación óptica. Se espera que el perfil transversal de este único modo siga un perfil gaussiano. Veremos los detalles mientras estudiamos los modos de una fibra óptica.

En la figura anterior se muestra un ejemplo de diseño de doble heteroestructura con sustrato de Gallium Arsenide. Por un lado, se dopan con un material tipo p y en el otro lado, con un material tipo n, formando así el empalme pn. La concentración molar de Galio y Aluminio en la capa activa se cambia de tal manera que su Eg de bandgap es ahora más pequeña que Eg1. Esto da como resultado un índice de refracción superior en la región activa y como hemos comentado anteriormente, esto lleva al confinamiento de los portadores y al confinamiento óptico.

Ingeniería de bandas de banda La longitud de onda de emisión en sí se puede controlar a través de ingeniería de banda-gap. Por ejemplo, la emisión a una longitud de onda en el rango 0.81-0.87 μm puede ser diseñada por ingeniería de las proporciones de Ga, Al y As en GaAlas. Para la emisión a 1-1,65 μm, que incluye la banda de comunicación más utilizada de 1,5 μm, el material utilizado es Indium Gallium Arsenide Phosphide (InGaAsP). Se trata de aleaciones de semiconductores compuestas hechas con diferentes pesos molares de los elementos constituyentes. Uno puede básicamente ingeniar el valor de Eg para obtener un rango deseado de longitud de onda, ajustando las concentraciones molares. Por ejemplo, tomar un compuesto semiconductor-InGaAsP con una concentración molar de Galio y y de Arsenico con Indium de concentración 1-x y Fósforo de concentración 1-y. Normalmente, x/y = 0,45 es necesario para la coincidencia de red, de lo contrario, la tensión debida a la desajuste de red daría como resultado una reducción de la ineficiencia. La relación empírica que conecta la brecha de banda y la concentración molar se muestra aquí. Ahora, al elegir las concentraciones molares adecuadas, se puede llegar a las composiciones materiales que emitirían a los rangos de longitud de onda deseados. Tenga en cuenta que, la brecha de bandgap de la región activa decide estas propiedades y, por lo tanto, la brecha de banda de las regiones p y n no desempeña ningún papel en la decisión de la longitud de onda de emisión. Ahora procedemos a entender cómo la naturaleza del espectro de una fuente de semiconductores puede ser derivada intuitivamente.
Anchura espectral

El diagrama E-k es útil para comprender las longitudes de onda de emisión y el ancho espectral de emisión. El silicio no se utiliza como fuente porque es un material de bandgap indirecto. La frecuencia mínima (νmin) emitida por un material corresponde a la menor diferencia de energía entre la valencia y la banda de conducción-que es, de hecho, la energía de bandgap, Eg. Por lo tanto, νmin= Eg/h es la frecuencia mínima que puede emitir un semiconductor con brecha de banda Eg.
Esto puede representarse en términos de la correspondiente longitud de onda mínima como el valor de λλ-in (μm).

Ahora, vamos a encontrar la mayor frecuencia o la longitud de onda más corta que se puede emitir desde la estructura. Como sabemos, la estructura de banda en un semiconductor puede tener un continuum de niveles de energía. Así, la longitud de onda más corta se decidirá por la diferencia de nivel de energía más alta entre la cual, las transiciones pueden ocurrir. Esta separación de nivel de energía ocupada más alta se decide por la (a) densidad conjunta de estados y (b) la probabilidad de ocupación de estos estados de energía. Por definición, la densidad conjunta de los estados es el número de estados por unidad de volumen con las energías entre el  y el grupo de los que pueden interactuar con (emitir o absorber) los fotones de energía eléctrica, satisfaciendo la energía y las condiciones de conservación del impulso. Por lo tanto, la densidad conjunta de los estados puede derivarse del diagrama E-k de la siguiente manera.
Densidad electrónica de los estados:
La densidad de los estados, (k) se define como el número de estados ocupados por electrones con wavenumbers (momentum) entre k y k + dk. Utilizamos el modelo de onda para que el electrón derive la densidad de estados en las bandas de valencia y conducción. En este modelo, el electrón se describe como una función de onda con vector de onda k, energía E y giro. La banda de electrón cerca de la conducción se puede visualizar como una partícula de mc masa efectiva, encerrada en un cubo de volumen, V en el semiconductor. Las soluciones de onda de pie impuestas por las condiciones de contorno del volumen requieren que los componentes x, y y z de k asuman valores discretos, para que la onda de electrones sobreviva en el volumen a través de interferencia constructiva. Siguiendo el enfoque en la óptica del resonador (para ser discutido más adelante en el curso), las ondas de electrones ahora se pueden pensar en encerradas en un resonador tridimensional, permitido tener vectores de onda con sus componentes asumiendo valores discretos klated, knaking, knak-weted = (...).

representando enteros positivos.

Por lo tanto, los valores permitidos de k se pueden pensar para formar un k-espacio, con, El volumen de la célula de la unidad en el k-espacio permitido =

El número de puntos por unidad de volumen en el espacio de k permitido =

No. of states with wave-number k =

El sistema de información y la información sobre los resultados de la investigación y la evaluación de los resultados de la investigación y de la evaluación de los resultados de la investigación y de la evaluación de los resultados de la investigación

= número de entrada
× "-"-"-(-)----------------------

Tenga en cuenta que, se considera un octante de esfera desde knate, knate, knate

puede asumir solamente valores positivos, y el factor de 2 en la expresión anterior es tener en cuenta el hecho de que el mismo estado puede ser ocupado por dos electrones con giros opuestos.
Número de estados con número de onda k, por unidad de volumen = número de teléfono de la parte superior de la empresa.

NPTEL-Fiber Optic Communication Technology -Lecture 10 Page 6 Por lo tanto, el número de estados con número de onda entre k y k + dk, por volumen unitario (densidad de estados), ρ (k) dk = "Dk "de la mano de obra de los" wave ").

Por lo tanto, la densidad de los estados de electrones con impulso k se da como,

ρ (k) = (1)

Para encontrar la densidad de los estados en la banda de conducción:
Deje que la c represente el número de niveles de energía en la banda de conducción por unidad de volumen, con energía entre E y E + dE. Puesto que existe una correspondencia de uno a uno entre E y k, ρalg (E) dE = ρ (k) dk (2)

Por consiguiente,

= (E) = (E) = (()) (s) (s) (s) (s)

Ahora, la energía, E en del electrón en la banda de conducción que corresponde a un impulso, k, puede ser escrito como, E = Enounto+ de la línea de trabajo de la
* (4)

donde mc es la masa efectiva del electrón en la banda de conducción, Ec es la energía más baja de la banda de conducción.
De Eqn (3), de la empresa de
= Grupo de trabajo de protección de datos (5)

Por lo tanto, la densidad de los estados en la banda de conducción se puede obtener sustituyendo Eqn (5) y Eqn (1) en Eqn (2) as, ρthod (E) =
= número de la parte superior (6)

Puesto que el estado corresponde al de la banda de conducción, sustituyendo a k de Eqn (4) en Eqn (6),

= (E) = (E) = (E) = (E) = (s) = (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (E), (E), (E)

(7) Del mismo modo, la densidad de los Estados de la banda de valencia, ρalg (E) puede ser derivada,

= (E) = ((E) = (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (E)

donde Etod representa el nivel de energía más alto de la banda de valencia.

NPTEL-Fiber Optic Communication Technology -Lecture 10 Page 7 Para encontrar la densidad de los estados:
Para lograr la emisión, no basta con tener densidad de estados en las bandas de valencia y conducción, debería haber una "densidad conjunta de estados", en ambas bandas, que se puede derivar de la siguiente manera. Intuitivamente, la densidad conjunta de estados significaría la presencia de estados en la banda de valencia correspondiente al impulso k, y los estados correspondientes para los agujeros en la banda de conducción para el mismo impulso k.
Considerar una transición entre un nivel de energía E2 en la banda de conducción a E1 en la valencia la banda se muestra en el diagrama.
Eord = Enoun+ Enover +/-(-)-(+)

Eetina= Enoun-Enounidad/de_de_de_de_de_

Eoregin− Ero-Enoun=Enoun-Enoun/Enounto.Enounto.Enos_de_de_de_de_
= Enover +, en la parte superior, en la parte superior de la misma.

¿Dónde se encuentra la
+ artículo de
= número de registro de entrada.

Desde Enouh − Einet:h/, sustituyendo en Eqn (9), k = (s) = (s), (13)

Ahora bien, la densidad común de los Estados, ρ (c/), se define como el número de Estados por unidad de volumen con energías entre el sector de la energía renovable y el de los productos de la energía, que pueden interactuar con los fotones, satisfaciendo las condiciones de conservación de energía y de impulso. Dado que cada frecuencia corresponde a un estado de energía único, ρ (c/) dν = ρ (Ephreed) dEphening, ρ (c/) = ρ (Ephreed)-(Ephenor)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-
= (")-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-)-(-

Probabilidad de ocupación:
Además de tener una densidad de estados no cero de estados, también es importante que haya una probabilidad no cero para que un electrón ocupe un estado de energía E2 en la banda de conducción y agujero en el estado correspondiente, E1 en la banda de valencia. Las probabilidades de ocupación son decididas por las estadísticas de Fermi, ya que los electrones son fermiones. Según las estadísticas de Fermi, la probabilidad de ocupación de un electrón en el estado de energía E es dada por esta función

NPTEL-Fiber Optic Communication Technology -Lecture 10 Page 8 f (E) = (E) = (")". Fermi energía es la energía para la cual esta probabilidad de ocupación is1 2. Ahora, la probabilidad de emisión se puede calcular como la probabilidad de ocupación conjunta, pe de un electrón en la banda de conducción con estado de energía E2 y el de la ausencia de un electrón en la banda de valencia con energía E1.

pwind = f (Enover) (1 − f (Enover) = (E)) = (E) = (1 − f (E)) = (E).

donde Efv y Efc representan los niveles de energía cuasi-Fermi, bajo cuasi-equilibrio. En equilibrio térmico Efv = Efc = Ef, y por lo tanto, pind = e

La tasa de emisión espontánea es, por tanto, proporcional al producto de la densidad de estados y de la probabilidad de ocupación, y se da como,

rwided saged saged saged saged saged sexion those wν-eorthose in drehose in drehose in dreat nthod eorthose in dreat nthod eared
Artículo
El sistema de control de la calidad de los productos
Artículo
(17)

donde RGIRL es una constante.
La ecuación (17) describe el comportamiento espectral de la emision de una fuente semiconductora.
La probabilidad de ocupación disminuye a medida que la energía (E) aumenta según lo dado por esta expresión.
Cuando la energía E=hν es más pequeña que la Eg, el fotón de la energía E no puede ser generado porque sólo se puede considerar el valor positivo de la cantidad bajo la raíz cuadrada en Eqn 17.

NPTEL-Fiber Optic Communication Technology -Lecture 10 Page 9 Permítanos trazar la tasa de emisión espontánea frente a la frecuencia. Por lo tanto, sólo tendremos emisión cuando hν > Eg. Para valores de frecuencia upto Eg/h = ν0, no hay emisión porque la tasa de emisión espontánea es cero en este caso. A medida que aumenta la frecuencia (c/), el número de personas (hν − Einc) comienza a aumentar, pero disminuye el término exponencial. Así, a medida que aumenta la frecuencia, la tasa de emisión espontánea aumenta porque la densidad de probabilidad conjunta aumenta, pero luego comienza a disminuir porque la probabilidad de ocupación comienza a disminuir. Por lo tanto, el espectro de la tasa de picos de emisión espontáneos a una determinada frecuencia, y disminuye para frecuencias más grandes.
Ahora, el pico se puede derivar fácilmente mediante la maximización de Eqn (17). Tenga en cuenta que, la forma del espectro no puede describirse como un Gaussiano, pero cambia con la temperatura. También podemos encontrar el ancho completo a la mitad máximo de la función representada por Eqn (17), y el hecho sorprendente es que este ancho completo a la mitad como máximo es de 11 THz (a temperatura ambiente), independientemente del material utilizado. Solo depende de la temperatura.

Ahora, este rango de frecuencia de FWHM se puede convertir a longitud de onda en nm. Se puede utilizar lo siguiente para esta conversión.
c=νλ, λ=c/ν, | ∆λ| = (c/ν2) | ∆/ |.

La alimentación generada por el LED

NPTEL-Fiber Optic Communication Technology -Lecture 10 Page 10 Lo siguiente es estimar la potencia óptica generada por el LED. Si yo es la corriente inyectada, la tasa de inyección sería I/q, donde q es la carga de un electrón. La potencia (P) generada por el LED se puede escribir como hν velocidad de la generación de fotones.
Ahora, la tasa de generación de fotones es la tasa de recombinación radiativa. La potencia se expresa como, P = hν ×rate of radiative combinations=hν ×ηint × (I/q) La tasa de generación de recombinación radiativa se relaciona así con la eficiencia cuántica interna (ηint). Tenga en cuenta que, una trama de intensidad de luz (proporcional al poder) vs corriente se conoce como la curva "L-I" y la potencia frente a la corriente se conoce como la curva "P-I" de la fuente de semiconductores. La curva LI/PI caracteriza de forma exclusiva a una fuente de semiconductor determinada.
A partir de la expresión, la curva LI/PI sería una línea recta con una pendiente dada por (hν ×ηint )/q.
Cuando la corriente es cero, la potencia óptica es cero por lo que es una línea que pasa por el origen.
A medida que aumenta la corriente, la potencia óptica generada aumenta, pero más allá de cierta corriente, la potencia no aumenta. A medida que la corriente sigue aumentando, todos los dopantes se agotan hasta una corriente determinada y puede que no haya suficientes portadores para someterse a la recombinación. Por lo tanto, después de un valor muy grande de los valores de energía actuales saturar. Normalmente, los LED no se operan en esta condición de saturación.
Ahora, esta curva de LI es importante porque distingue un diodo láser de un LED. Supongamos que se da un dispositivo de dos patillas y se le pide que averigüe si se trata de un LED o un diodo láser. La única prueba concluyente es en realidad la curva de LI. La curva de LI para los diodos láser mostrará el comportamiento del umbral