Loading
Note di Apprendimento
Study Reminders
Support
Text Version

Semiconductor Gain Media - Struttura, Spectrum

Set your study reminders

We will email you at these times to remind you to study.
  • Monday

    -

    7am

    +

    Tuesday

    -

    7am

    +

    Wednesday

    -

    7am

    +

    Thursday

    -

    7am

    +

    Friday

    -

    7am

    +

    Saturday

    -

    7am

    +

    Sunday

    -

    7am

    +

In questa lezione analizzeremo le basi di alcune strutture a diodi LED e laser.
Doppio design di struttura Hetero

La struttura di base e il mezzo di guadagno di un diodo laser sono anche gli stessi di LED. Nei diodi laser abbiamo alcuni specchi aggiuntivi che si fabbricano alle sfaccettature di fine, ma il materiale utilizzato per la generazione di fotoni e il meccanismo di generazione dei fotoni sono simili per LED e diodi laser. Tipicamente si tratta di una giunzione pn biased che viene mostrata nella figura sopra.
Il diodo di giunzione pn si forma tipicamente formando il substrato semiconduttore con materiale di tipo p e n - tipo come mostrato, e la regione di deplezione si forma nella giunzione attraverso la struttura come mostrato. Esiste un contatto metallico attraverso il quale è consentita la corrente di iniezione attraverso il diodo. Le ricombinazioni avvengono tipicamente nella regione a deplezione, con larghezze tipiche di 1 - 10 μm nella maggior parte dei materiali semiconduttori. La larghezza della regione di deplezione è decisa dalla corrente di iniezione e dalla concentrazione dopante. Ora, questo tipo di struttura è chiamata come homo - giunzione perché il materiale che costituisce il tipo p e il doping di tipo n ha lo stesso bandgap. Dal momento che il bandgap su entrambi i lati della giunzione è lo stesso, non vi è alcuna possibilità di confinamento dei vettori. Significa che in presenza di una corrente di iniezione I, i vettori sono generati ovunque all'interno di questa larghezza della regione di deplezione e quindi, le ricombinazioni possono effettivamente accadere in una moda largamente distribuita su questa intera regione di deplezione. Si tratta di un modo molto inefficiente di generare luce. Ne consegue un'efficienza quantistica interna molto bassa. I LED sono stati inizialmente realizzati con questo tipo di disposizione. Tuttavia, una modifica che è più popolare è una giunzione etero, fabbricata in una struttura a semiconduttore. La giunzione Hetero è costituita da una doppia eterostruttura, descritta di seguito.

La doppia eterostruttura è costituita da p - type e n - type doping come prima. Tuttavia, questa struttura è diversa dall'omo - giunzione in quanto, un sottile strato attivo è coltivato tra i due materiali di tipo p e n. Il bandgap del materiale di tipo p e n è scelto per essere identico (Eg1). Lo spessore di questo strato attivo è di circa 0,1 μm, che sono diversi ordini di grandezza di dimensioni inferiori alla larghezza della regione di deplezione stessa. Il materiale per lo strato sottile è scelto in modo tale che il bandgap di quel materiale sia più piccolo di Eg1. Questo risultato in due vantaggi - confinamento vettore e confinamento ottico. La struttura a banda è mostrata a destra, che mostra il livello energetico più basso della banda di conduzione e il livello di energia più alto della banda di valenza.
In presenza di una corrente inclinata in avanti, i fori vengono iniettati dal lato p e gli elettroni vengono iniettati dal lato n verso la giunzione. Tuttavia, c'è un grande potenziale ben presente alla giunzione a causa della differenza di gap di banda, a causa della quale tutti i vettori si trovano confinati in questa regione attiva. Questi risultati nel confinamento del vettore. Dato che la larghezza dello strato attivo è molto più piccola, la densità del vettore diventa più grande. La maggiore densità di carrier aumenta la possibilità di ricombinazioni radiative e quindi, il processo di coltivazione di un sottile strato attivo tra il tipo p e n - tipo aiuta ad aumentare la ricombinazione radiativa. Ora, il secondo beneficio è il confinamento ottico. Nei semiconduttori si trova che i materiali con un bandgap più grande hanno indici di rifrazione più piccoli. Significa che la luce emessa nella regione attiva del bandgap inferiore sperimenta effettivamente l'indice di rifrazione superiore. La trama in rosso mostra il profilo di indice di rifrazione attraverso la banda per una doppia eterostruttura. I fotoni generati nella regione attiva sono intrappolati in una regione di indice di rifrazione superiore. Così, la struttura agisce come una guida d'onda. Infatti, il profilo di indice di rifrazione di una fibra indice di scatto sembra esattamente simile al profilo mostrato qui. La condizione limite imposta da questo profilo di indice di rifrazione consente solo specifici modelli di campo trasversali - indicati anche come modalità trasversali della guida d'onda. A seconda del contrasto dell'indice di rifrazione e della larghezza dello strato attivo, la struttura può supportare il funzionamento in modalità singola per una determinata lunghezza d'onda, ovvero la modalità di funzionamento più preferita nei sistemi di comunicazione ottica. Il profilo trasversale di questa singola modalità dovrebbe seguire un profilo gaussiano. Vedremo i dettagli mentre studieremo le modalità di una fibra ottica.

Un esempio di design a doppia heterostruttura con substrato Gallium Arsenide è mostrato nella figura sopra. Da un lato, viene drogato con un materiale di tipo p e dall'altro lato, con un materiale di tipo n, formando così la giunzione pn. La concentrazione molare di Gallio e Alluminio nello strato attivo è cambiata tale che il suo bandgap Eg è ora più piccolo di Eg1. Ne consegue un indice di rifrazione superiore nella regione attiva e come abbiamo discusso in precedenza, questo porta al confinamento del vettore e al confinamento ottico.

Engineering - gap engineering La lunghezza d'onda delle emissioni può essere controllata attraverso l'ingegneria a banda larga. Ad esempio, l'emissione ad una lunghezza d'onda nella gamma 0,81 - 0,87 μm può essere progettata ingegnando le proporzioni di Ga, Al e Come in GaAlAs. Per l'emissione a 1 - 1,65 μm, che include la banda di comunicazione più utilizzata di 1,5 μm, il materiale utilizzato è Indium Gallium Arsenide Fosfuro (InGaAsP). Si tratta di leghe semiconduttori composti realizzati con diversi pesi molari degli elementi costitutivi. Si può fondamentalmente ingegneriare il valore di Eg per ottenere una gamma desiderata di lunghezza d'onda, regolando le concentrazioni molari. Ad esempio, prendere un semiconduttore composto - InGaAsP con concentrazione x molare di Gallio e y di Arsenico con Indium di concentrazione 1-x e Phosphorus di concentrazione 1 - y. In genere, x/y = 0,45 è richiesto per corrispondenza del reticolo altrimenti il ceppo dovuto a reticolo - mismatch provocherebbe un'inefficienza di riduzione. Qui viene mostrata la relazione empirica che collega il bandgap e la concentrazione molare. Ora, scegliendo le opportune concentrazioni molari, si può arrivare a composizioni materiali che emetterebbero alle gamme d'onda desiderate. Da notare che, il bandgap Eg della regione attiva decide queste proprietà e di conseguenza, il bandgap delle regioni p e n non gioca alcun ruolo nel decidere la lunghezza d'onda delle emissioni. Ora procediamo a capire come la natura dello spettro da una sorgente di semiconduttore possa essere intuitivamente derivata.
Larghezza spettrale

Il diagramma di e - k è utile per comprendere le lunghezze d'onda delle emissioni e la larghezza spettrale di emissione. Il silicio non viene utilizzato come fonte perché è un materiale di bandgap indiretto. La frequenza minima (νmin) emessa da un materiale corrisponde alla più piccola differenza di energia tra la valenza e la banda di conduzione - che è in realtà l'energia di bandgap, Eg. Così, νmin= Eg / h è la frequenza minima che può essere emessa da un semiconduttore con gap di banda Eg.
Questo può essere rappresentato in termini di lunghezza d'onda minima corrispondente come λλλλλ/μm (μm) Taglia Unica di Taglia (Taglia unica).

Ora, scopriremo la più grande frequenza o la lunghezza d'onda più breve che può essere emessa dalla struttura. Come sappiamo, la struttura a banda in un semiconduttore può avere un continuum di livelli energetici. Così, la lunghezza d'onda più breve verrà decisa dalla differenza di livello energetico più elevata tra le quali, si possono verificare le transizioni. Questa più alta separazione a livello di energia occupata è decisa dalla (a) densità congiunta degli stati e (b) probabilità di occupazione di questi stati energetici. Per definizione, la densità articolare degli stati è il numero di stati per unità di volume con energie tra i raggi e i disabili che possono interagire con (emit o assorbire) i fotoni di energia elettrica, soddisfacendo le condizioni di conservazione dell'energia e dello slancio. Quindi, la densità congiunta degli stati può essere ricavata dal diagramma di E - k come segue.
Densità di elettroni degli stati:
La densità degli stati, il polso (k) è definita come il numero di stati occupati dagli elettroni con wavenumbers (slancio) tra k e k + dk. Utilizziamo il modello di onda per l'elettrone per ricavare la densità degli stati nelle fasce di valenza e conduzione. In questo modello, l'elettrone è descritto come una funzione d'onda con vettore wave k, energia E e spin. L'elettrone vicino alla banda di conduzione può essere visionato come una particella di massa efficace mc, racchiusa in un cubo di volume, V nel semiconduttore. Le soluzioni di onda in piedi imposte dalle condizioni limite del volume richiedono che i componenti x, y e z di k assumano valori discreti, per l'onda di elettroni per sopravvivere nel volume attraverso interferenze costruttive. Seguendo l'approccio in ottica resonante (da discutere più avanti nel corso), le onde di elettroni possono ora essere pensati racchiusi in un risonatore tridimensionale, consentito di avere vettori d'onda con i suoi componenti ipotizzando valori discreti cucchiaino, kabba, kabbavora= cintura polverina polverina, albergo Albergo Vecchio, albergo Albergo increspinato, con qlibero, qlibero, qlibero

rappresentare numeri interi positivi.

Così, i valori ammessi di k possono essere pensati per formare un k - space, con, Il volume della cella unitaria nel k - spazio consentito = avvenire Avvenire superiore

Il numero di punti per unità di volume nel k - spazio consentito = Tanti Punti Vendita

No. di stati con numero d'onda k =

Più di un Più di Aria di Aria di Inno di Più di Inno di Più di un Più di Inno di Più di un Luogo di Inno di Più di un Più di Inno di un Più di un Di Più di un Più di volta

= minuti di costruzione
× Sentiero Spessore di Spessore × Coppia di Sentiero Sentiero = Sentiero Insegno di Sentiero di Spessore

Da notare che, un octante di sfera è considerato da koccola, kecco, kecco

possono assumere solo valori positivi, e il fattore 2 nell'espressione di cui sopra è quello di rendere conto del fatto che lo stesso stato può essere occupato da due elettroni con spinte opposte.
Numero di stati con numero d'onda k, per unità di volume = Tanti Piccoli unici.

NPTEL - Fiber Optic Communication Technology - Collezione 10 Pagina 6 Pertanto, il numero di stati con numero d'onda tra k e k + dk, per unità di volume (densità di stati), ρ (k) dk = maglia anteriore Anteriore Maglia Anteriore Maglia stampa trattativa.

Pertanto, viene data la densità di stati di elettrone con slancio k come,

ρ (k) = Redazione Redazione redazione (1)

Per trovare la densità degli stati nella banda di conduzione:
Lasciati rappresentare il numero di livelli di energia nella banda di conduzione per unità di volume, con energia tra E ed E + dE. Dal momento che c'è una corrispondenza one-to-one tra E e k, ρος (E) dE = ρ (k) dk (2)

Pertanto,

ρος (E) = Ultime (Ultime) Ultime Ultime ultime persone (3)

Ora, l'energia, E in dell'elettrone nella banda di conduzione che corrisponde a uno slancio, k, può essere scritta come, E = Edizioni + Casella Anteriore Tanti Tanti tanti
* (4)

dove mc è la massa efficace dell'elettrone nella banda di conduzione, Ec è l'energia più bassa della banda di conduzione.
Da Eqn (3), Ultime Ultime
= Ultime Ultime Ultime (5)

Pertanto, la densità degli stati nella banda di conduzione può essere ottenuta sostituendo Eqn (5) ed Eqn (1) in Eqn (2) come, ρος (E) = Ultime Ultime di Avvenire Ultime Ultime
= Ultime Ultime ultime Ultime Ultime (6)

Dato che lo stato corrisponde a quello nella banda di conduzione, sostituendo k da Eqn (4) in Eqn (6),

ρος (E) = Editore Editore Editore Misurata (E − Edozione) Luogo Comune di Età Comune Elettrico di Età = (Editore Editore) Editore Editore Editore Editore Editore Misurata (E − Edosi); E ≥ Edoti

(7) Allo stesso modo, la densità degli stati nella banda di valenza, ρος (E) può essere ricavata come,

ρος (E) = (Editore) Editore Editore Editore Editore Ultime Ultime (Edoti − E); E ≤ Egrado (8)

dove Esegna rappresenta il più alto livello energetico nella banda di valenza.

NPTEL - Fiber Optic Communication Technology - Collezione 10 Pagina 7 Per trovare la densità congiunta degli stati:
Per ottenere l'emissione, non è sufficiente avere densità di stati nelle fasce di valenza e conduzione, ci dovrebbe essere una "densità congiunta degli stati", in entrambe queste fasce, che possono essere ricavate come segue. Intuitivamente, la densità congiunta degli stati significherebbe la presenza di stati nella banda di valenza corrispondente allo slancio k, e gli stati corrispondenti per i buchi nella banda di conduzione per lo stesso slancio k.
Considerate nel diagramma una transizione tra un livello di energia E2 nella banda di conduzione a E1 in valenza la banda.
Ezza= Ediota + Ultime Ultime ultime Ultime Ultime (10)

Ezza= Edoti − Ultime Ultime ultime Ultime persone (11)

Echi − Edoti = Edoti − Ediota + Luogo Anteriore di Anteriore Anteriore + Minimo Indice di Anteriore Editore
= Esa + Ultime Ultime ultime Ultime Ultime (12)

dove Luoghi Luoghi
+ Dettagli Dettagli
= minuti di prezzatura.

Dal momento che Edosa − Etruc = hsai, sostitutivo in Eqn (9), k Ultime = Rifugio - Elio Editore Editore Editore Rifugio (13)

Ora, la densità congiunta degli stati, ρ (ν) dv, è definita come il numero di stati per unità di volume con energie tra i raggi e gli affetti da consumo che possono interagire con i fotoni, soddisfacendo le condizioni di conservazione dell'energia e dello slancio. Dal momento che ogni frequenza corrisponde a uno stato energetico unico, ρ (ν) dv = ρ (Esorio) dEtro, ρ (/) = ρ (Esorio) redazione Redazione di stampa (14) Sostitutivo di Eqn (7), (8) e (10), la densità congiunta degli stati per la transizione che coinvolge un fotone di energia elettrica è, ρ (/) = ρ (Esa) redazione redazione redazione
= (Editore Editore) Ultime Ultime ultime Ultime Ultime di Rifugio hν − Etrusa (15)

Professione Probabilità:
Oltre ad avere una densità congiunta non zero di stati, è importante anche che ci sia una probabilità non zero per un elettrone di occupare uno stato energetico E2 nella banda di conduzione e foro nello stato corrispondente, E1 nella banda di valenza. Le probabilità di occupazione sono decise dalle statistiche di Fermi come elettroni sono fermioni. Secondo le statistiche di Fermi, la probabilità di occupazione di un elettrone nello stato energetico E è data da questa funzione

NPTEL - Fibra Optic Communication Technology - Collezione 10 Pagina 8 f (E) = Editrice Editrice Editrice Editrice Editrice Editrice Editore Dove l'Ef è l'energia di Fermi. L'energia di Fermi è l'energia per cui questa probabilità di occupazione is1 2 minuti. Ora, la probabilità di emissione può essere calcolata come probabilità di occupazione congiunta, pe di un elettrone nella banda di conduzione con stato di energia E2 e quello dell'assenza di un elettrone nella banda di valenza con energia E1.

pappetto = f (Edota) (1 − f (Edoti) = Editore Editore Stampa Comune di Stampa Ultime Ultime Ultime Ultime ቎1 − Ultime Ultime Ultime di Stampa Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore Editore

dove Efv e Efc rappresentano i livelli di energia quasi - Fermi, sotto quasi - equilibrio. All'equilibrio termico Efv = Efc = Ef, e da qui, pintura = e Cappotto Cappotto Cappotto Cappotto Cappotto Cappotto

Il tasso di emissione spontanea è quindi proporzionale al prodotto della densità congiunta degli stati e della probabilità di occupazione, ed è dato come,

rinfornenti ∞ ∞ (Rifugio Rifugio) Rifugio Rifugio Rifugio di Rifugio Rifugio Hobby hv − Edoti Editore e Rifugio Rifugio Rifugio di Rifugio Rifugio = Rocco Fiammanti hv − Elia
Ante
Luogo di - - di - - di - - di -
Ante
Età (17)

dove Raggi è una costante.
L'equazione (17) descrive il comportamento spettrale di emissione da una sorgente di semiconduttore.
La probabilità di occupazione diminuisce man mano che l'energia (E) aumenta come dato da questa espressione.
Quando l'energia E=hν è più piccola di Eg, il fotone dell'energia E non può essere generato come si può considerare solo il valore positivo della quantità sotto la radice quadrata in Eqn 17.

NPTEL - Fibra Optic Communication Technology - Collezione 10 Pagina 9 Let us plot il tasso di emissione spontanea versus frequenza. Quindi, avremo emissione solo quando hν> Eg. Per valori di frequenza upto Eg / h = ν0 non c'è emissione perché il tasso di emissione spontanea è pari a zero in questo caso. Con frequenza (ν) aumenta, il crescere (hv − Etro) inizia ad aumentare ma il termine esponenziale diminuisce. Così, come aumenta la frequenza, il tasso di emissione spontanea aumenta perché la densità di probabilità congiunta aumenta, ma poi inizia a diminuire perché la probabilità di occupazione inizia a diminuire. Così, lo spettro del tasso di picchi di emissione spontanea a una certa frequenza, e diminuisce per le frequenze più grandi.
Ora, il picco può essere facilmente ricavato massimizzando Eqn (17). Da notare che, la forma dello spettro non può essere descritta come un gaussiano, ma cambia con la temperatura. Possiamo anche trovare la larghezza a metà massima della funzione rappresentata da Eqn (17), e il fatto sorprendente è che questa larghezza piena a metà massimo è di 11 THz (a temperatura ambiente), indipendentemente dal materiale utilizzato. Dipende solo dalla temperatura.

Ora, questa gamma di frequenze di FWHM può essere convertita in lunghezza d'onda in nm. Di seguito è possibile utilizzare per questa conversione.
c=νλ, λ=c//, | zzaλ| = (c/ν2) | zzav |.

La potenza generata da LED

NPTEL - Fiber Optic Communication Technology - Collezione 10 Pagina 10 La cosa successiva è stimare la potenza ottica generata dal LED. Se io sono la corrente iniettata, la velocità di iniezione sarebbe I/q, dove q è la carica di un elettrone. La potenza (P) generata dal LED può essere scritta come hν tasso di frequenza della generazione di fotoni.
Ora, il tasso di generazione dei fotoni è il tasso di ricombinazione radiativa. La potenza è espressa come, P = hν tasso di cambio radiativo di combinations=hν grandine × (I/q) La velocità di generazione della ricombinazione radiativa è quindi correlata all'efficienza quantistica interna (ηint). Da notare che, una trama di intensità luminosa (proporzionale alla potenza) vs corrente è indicata come la curva "L-I" e la potenza versus corrente è indicata come la curva "P-I" della sorgente dei semiconduttori. La curva LI/PI caratterizza univocamente una data sorgente di semiconduttore.
Dall'espressione, la curva LI/PI sarebbe una linea retta con una pendenza data da (hv. int ηint )/q.
Quando la corrente è zero, la potenza ottica è zero quindi è una linea che passa per l'origine.
Man mano che gli attuali aumenti, il potere ottico generato aumenta, ma al di là di una certa corrente, la potenza non aumenta. Mentre la corrente continua ad aumentare, tutti i dopantaloni sono esauriti fino a una certa corrente e potrebbero non esserci abbastanza vettori per sottoporsi alla ricombinazione. Così, dopo un grandissimo valore dei valori di corrente saturi. Generalmente i LED non sono operati in questa condizione di saturazione.
Ora, questa curva di LI è importante perché distingue un diodo laser da un LED. Si supponga, viene dato un dispositivo a due pin e si chiede di scoprire se si tratta di un LED o di un diodo laser. L'unico test conclusivo è in realtà la curva di LI. La curva LI per diodi laser mostrerà un comportamento di soglia