מקורות קרינה ולייזרים. 9.1 - יתרונות של דיודות לייזר. 9.2 – חזרה על פיסיקה של מצב מוצק. 9.3 – אלקטרו-לומינסצנסיה. 9.4 - פליטת אור בצמתים. 9.5 - מדוע לא מייצרים לייזרים ולדים מסיליקון ?. 9.6 - חומרים עם מעברים ישירים. 9.7 - לייזר Homo-junction. 9 – לייזרים ו- LED -ים במוליכים למחצה. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Schechner (c)1לייזרים 9 - מוליכים למחצה
מקורות קרינה ולייזרים-ים במוליכים למחצהLED – לייזרים ו-9
- יתרונות של דיודות לייזר9.1 – חזרה על פיסיקה של מצב מוצק9.2 – אלקטרו-לומינסצנסיה 9.3 - פליטת אור בצמתים9.4 - מדוע לא מייצרים לייזרים ולדים מסיליקון ?9.5
- חומרים עם מעברים ישירים9.6-Homo - לייזר 9.7
junction9.8 - LED
- אופן נפחי בלייזר9.9
hetero-junctionלייזר - 9.10
– לייזר בור קוונטי9.11
Schechner (c)2לייזרים 9 - מוליכים למחצה
driver אפשרות לאיפנון ע"י 1.20 GHz
תקשורת לסיב אופטי
זמן ביט
t
Itbit = 1/Bitrate
tbit
0 01
Schechner (c)3לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Bit and Byte
אות ביט32
מילה אותיות10
שורה מילים10
דף שורות40
ספר עמודים500
נניח ש-:
חשב: את מספר הביטים שיש בספר• תוך כמה זמן מועבר הספר בקו תקשורת של•
Gigabit/s 20? סיב אופטי המשדר בקצב של
Schechner (c)4לייזרים 9 - מוליכים למחצה
האלומה מתאימה 2.
לסיבים אופטיים1 – 40 m
Single Mode Fibersa = 2 mclade
Multimode Fibersa = 80 mcore
Schechner (c)5לייזרים 9 - מוליכים למחצה
. רוחב קו צר ביותר3 ~ 1 nm
דיספרסיה כרומטית קטנהמאפשרת
WDM-Wavelength Domain Multiplexing
III1620 - 1530חלון עבירות
ערוצים 40
Schechner (c)6לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Silicaמקדם השבירה כתלות באורך הגל עבור
http://www.fiber-optics.info/articles/dispersion.htmdn/d= (-) Dc
Schechner (c)7לייזרים 9 - מוליכים למחצה
דיספרסיה
In
S 0 L
אורכי הגל הקצרים נעים יותר לאט
Schechner (c)8לייזרים 9 - מוליכים למחצה
I
t
tbit
t + t
I
t + nt
I
ואורכי הל הקצרים נעים יותר לאט.
אורכי הגל הארוכים נעים יותר מהר. הפולס מאבד
את הצורה המלבנית
Schechner (c)9לייזרים 9 - מוליכים למחצה
50 x 10 x 300 m מאפשר הרכבה כרכיב
- ממדים קטנים4
תיפקוד במעגלים של מיקרו-אלקטרוניקה מקובלת
50% - יעילות אורית גבוה6
15 mA @ 2V שאיבה חשמלית בהספק נמוך-5
Schechner (c)10לייזרים 9 - מוליכים למחצה
- ייצור "המוני" בטכנולוגיה 7
של מוליכים למחצה
12 - 0.4 - מגוון אורכי גל 9m
- ניתן להרכבה (מונוליתית) 8 במעגלים של מיקרו-מעבדים
לא מפתחת קרן עוברת. כל cקרן הפוגעת בזווית הקרינה מוחזרת בזווית השווה לזווית הקריטית
ni sin i = nt sin t
ni
nt
ni < nt
c
i = r
שעבורה , i, זווית פגיעה
= 900 t
t
Schechner (c)48לייזרים 9 - מוליכים למחצה
אופן נפחי בלייזרn
d
n pjunction
3.6 0.2 - 1.0 %
פרופיל מקדם השבירה
הקרינה בתוך הצומת נמצאת
ב"תעלה אופטית"
: צריכת זרם גדולה homojunctionהחיסרון של דיודות
Jhomojunction = 400 [A/mm2]
Schechner (c)49לייזרים 9 - מוליכים למחצה
לזירה בצומת homojunction
e- e- e- e- e- e- e-
n p
+ + + + + + + +
_ +
+ +
e-
e-
~~~h~~~~
1-3 m
Schechner (c)50לייזרים 9 - מוליכים למחצה
-heteroלייזר - 9.10junction
+
7
d = 1-3 m
- נפח גדול1
- בריחת 2פוטונים
homojunctionמדוע לייזר צורך הרבה זרם?
שתי סיבות
Schechner (c)51לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Hetero-junctionלייזר +
-
d = 0.2 m
כנגד הנפח גדול :
הקטנת עובי השכבה הפעילה
עדיין קרינה בורחת
הוספת שכבה נוספת
Schechner (c)52לייזרים 9 - מוליכים למחצה
homojunctionלזירה בצומת
e- e- e- e- e- e- e-
n p
+ + + + + + + +
_ +
+ +
e-
e-
h
1-3 m
Schechner (c)53לייזרים 9 - מוליכים למחצה
hetero-junctionלזירה בצומת
0.2 m
e- e- e- e- e- e- e-
N p_ +P
e- e- e- e-
+ + + + +
+ + + +
הוספת שכבה פעילה
Schechner (c)54לייזרים 9 - מוליכים למחצה
אופן נפחי
3.6
n
n p
junction 0.2 - 1.0 %
homojunction
d
בריחת פוטונים: תכנון מקדמי
שבירה של השכבות
n
3.0 N Pp
4.2heterojunctio
n
d
Schechner (c)55לייזרים 9 - מוליכים למחצה
הגדרות -לייזר heterojunction
N p P
D
1 2
3
ConductionBand
Valence Band
n
Schechner (c)56לייזרים 9 - מוליכים למחצה
heterojunctionדרישות מלייזר
Eg2< Eg1, Eg3
שקיפות לאורך גל הלוזר
n2> n1 , n3
1
2
תעלת אור3
Ec1 < Ec2 < Ec3
Ev1 < Ev2 < Ev3
4מדרגת עצירה
Schechner (c)57לייזרים 9 - מוליכים למחצה
דרישות מלייזר heterojunctiond ~ 0.2 mm
Nc,thr קטן תוצאה: צפיפות זרם קטינה
Homojunction
Heterojunction
d[m]
1 - 3
0.2
J[A/mm2]
400
10
Schechner (c)58לייזרים 9 - מוליכים למחצה
דוגמהInGaAsP/InP
Layer 1
InPn =3.5
Layer 2
In1-xGaxAsy-
1Py
Eg2 = 1.1-1.7 eV
Layer 3
InPn =3.5
Schechner (c)59לייזרים 9 - מוליכים למחצה
יצירת בור פוטנציאל
GaAlAs GaAs GaAlAs
10 nm
E
d
Quantum Well Lasers
GaAlAsGaAlAs GaAlAsGaAlAsאלומהקוהרנטית
מכאן
GaAs
מרזר אקסי
ליית ב
ביורי
שיע
Schechner (c)60לייזרים 9 - מוליכים למחצה
GaAlAs GaAs GaAlAs
-e- e- e- eזרמיםElectron current
+ + + + +
Hole current
d
E
Schechner (c)61לייזרים 9 - מוליכים למחצה
אנרגיה של רמה בבור פוטנציאלתלת ממדי
Ee(nx,ny,nz) =h2
8me*+ +
dx2 dy
2 dz2
nx2 ny
2 nz2
האנרגיה של אלקטרונים וחורים נעים בבור פוטנציאל
מקוונטת
Schechner (c)62לייזרים 9 - מוליכים למחצה
אנרגיה של רמה בבור פוטנציאלdx <<< dy , dz
Ee(nx) =
h2
8me*dx
2
nx2
=1
8me*dx
hnx
2
Ee(nx,ny,nz) =h2
8me*+ +
dx2 dy
2 dz2
nx2 ny
2 nz2
Ee(nx,ny,nz) =h2
8me*+ +
dx2 dy
2 dz2
nx2 ny
2 nz2
Schechner (c)63לייזרים 9 - מוליכים למחצה
+ + + + +
E
- +
d
מעבר מאנרגיה רציפה לאנרגיה בקוונטים
e- e- e- e-
המבנה הקוונטי של רמות האנרגיה בבור לא מאפשרים מעבר רציף
Schechner (c)64לייזרים 9 - מוליכים למחצה
dx
E
dx
- +
d
רמות אנרגיה בבור קוונטי
Schechner (c)65לייזרים 9 - מוליכים למחצה
רמות האנרגיה
Ec =h2 nx,e
2
8me*dx2 עבור אלקטרונים
Ev =h2 nx,h
2
8mh*dx2
עבור חורים
Schechner (c)66לייזרים 9 - מוליכים למחצה
חישוב לדוגמה
Ee(nx) =h2
8me* dx2
nx2
me*(GaAs) = 0.068 me nx = 1
dx = 10 nm
me*(GaAs) = 0.068 me = 0.068 x 9.1 x 10-31 =
me*(GaAs) = 0.6188 x 10-31 [Kg]
Schechner (c)67לייזרים 9 - מוליכים למחצה
dx2 = 1 x 10-16
[m2]
me*(GaAs) = 0.6188 x 10-31 [Kg]
h = 6.6 x 10-34 J s h2 = 43.56 x 10-68 J2 s2
Ee(nx)=h2
8me*dx
2
nx2
43.56 x 10-68
8x0.6188 x 10-311 x 10-
16
1=
Ee(nx) = 8.8 x 10-21
J Ee(nx) = 0.055 eV
meVהרמות בבור קוונטי במל"מ נמדד בעשרות
Schechner (c)68לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Ee(nx) =h2
8me*dx
2
nx2 שינוי במספר הקוונטי
Ee(nx=1) = 0.055 eV
Ee(nx) = 0.055 x nx2 eV
nxE ]eV[
10.055 = 0.055
20.055 x 4 = 0.22
30.055 x 9 = 0.495
Schechner (c)69לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E1 = 0.055 eV
E2 = 4 E1 = 0.22 eV
E3 = 9 E1 = 0.495
תיאור גרפי
n = 1
n = 2
n = 3
Schechner (c)70לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Eg (GaAs bulk)
Valence Band
Eg
(GaAlAs)
Conductance
Bandnc3
nc2
nc1
nv1
nv2
nv3
2
x
e*e
2
c dn
m8h
E
2
x
h*h
2
V dn
m8h
E
תיאור גרפי כולל
רמות ברמת ההולכה
Schechner (c)71לייזרים 9 - מוליכים למחצה
חוקי המעברבבורות פוטנציאל
n = 0
n ≠ 0n = 1, 2, 3,…
Schechner (c)72לייזרים 9 - מוליכים למחצה
מעבר בין רמות
Conductance
Band nc3
nc2
nc1
Valence Band
nv1
nv2
nv3
n ≠ 0 התוצאה: Egהגדלת
Schechner (c)73לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Conductance
Bandnc3
nc2
nc1
Valence
Band
nv1
nv2
nv3
h
מעבר בין רמות
nc = nv
Schechner (c)74לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Conductance
Bandnc3
nc2
nc1
Valence
Band
nv1
nv2
nv3
h ?
מעבר בין רמות
nc ≠ nv
Schechner (c)75לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E = Eg + E(QW)
E (QW) = Ec (ne) + Ev (nh) 2
x
e*e
2
c dn
m8h
E
2
x
h*h
2
V dn
m8h
E
*
h*e
2
x
2
Q m1
m1
dn
8h
E
אנרגית המעבר
E = Eg + Ec (e) + Ev (h)
2
x
h*h
22
x
e*e
2
Q dn
m8h
dn
m8h
E
Schechner (c)76לייזרים 9 - מוליכים למחצה
2
x*h
22
x*e
2
min,Q d1
m8h
d1
m8h
E
אנרגית המעבר מזעריתnc = nv = 1
2
**e
2
2
min,Q
hxm1
m1
d8h
E
dx = 10nmנניח
me* = 0.068 m0
mh* = 0.56 m0
GaAs
Schechner (c)77לייזרים 9 - מוליכים למחצה
EQ = 43.56 x 10-68 10.068
m0
8x10-
16
+1
0.56 m0
EQ = 0.062 eV
E = Eg + EQ = 1.43 + 0.062) = 1.49 eV
בטכניקה של בורות קוונטיים: מסקנות:של מל"ם. Eg ניתן להגדיל את ה-• ליצור לזירה בקווים ספקטרליים•
בניגוד למזהמים המאפשרים מעברים
Eg קטנים מה-
הם פונקציה הפוכה של Egהשיוניים ב- dxריבוע עובי השכבה
*
h*e
2
x
2
Q m1
m1
dn
8h
E
Schechner (c)78לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Multiple Quantum Well
GaAlAsGaAlAs GaAlAsGaAlAs
MQW
- אלומה+קוהרנטית
אלומהקוהרנטית
אלומהקוהרנטית
אלומהקוהרנטית
Schechner (c)79לייזרים 9 - מוליכים למחצה
+-
E
d
Eg(bulk)
E = Eg(bulk) + EQ
MQWפס הערכיות ופס ההולכה
Schechner (c)80לייזרים 9 - מוליכים למחצה
ירידת הזרם במעבר בין בורות
-+
E
d
I0 0.9I0 0.x I0
Schechner (c)81לייזרים 9 - מוליכים למחצה
מספר אורכי גל בגביש אחד
-
E
+
d
קיימת אפשרות לייצירת מספר אורכי גל בגיש אחד
dx1 dx2 dx3dx4
אין בקרה מהוד משותף?
Schechner (c)82לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Separate Confinement Heterostructure SCH
הוספת שכבה מעכבת מעבר של • אלקטרונים
Ec,SCH > Ec,MQW
הוספת שכבה מעכבת בריחה של •פוטונים
nSCH < nMQW
Schechner (c)83לייזרים 9 - מוליכים למחצה
- +
MQW
SCH + MQW
-
MQW
Refractive index walls
+
Schechner (c)84לייזרים 9 - מוליכים למחצה
- +
E
d
MQW- +
E
d
MQW + SCH
Schechner (c)85לייזרים 9 - מוליכים למחצה
MQW + SCH- +
E
d
1 2 3 4
ארבע מל"מים שונים
Schechner (c)86לייזרים 9 - מוליכים למחצה
תרגילצייר את דיאגרמת האנרגיות של לייזר •
MQW סגור ע"י SCH
של כל אזור Eg תן שם וסמן את ה-•
בחר - מתוך נתונים שבידך – חומר •מתאים לכל אזור
Schechner (c)87לייזרים 9 - מוליכים למחצה
מבור קוונטי לחוט קוונטי
- +
קיר הבור -קיר הבור +
חומר לוזרחומר בעל התנגדות גבוהה
Schechner (c)88לייזרים 9 - מוליכים למחצה
- +
כיוון הלזירהכיווני התהודה
- +
Schechner (c)89לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Quantum Dot
כיוון זרם האלקטרונים
איזורפעיל
התנגדות גבוהה
התנגדות גבוהה
התנגדותגבוההושקוף
התנגדותגבוההושקוף
Schechner (c)90לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Luminescence is the word for light emission after some energy was deposited in the materialPhotoluminescence describes light emission stimulated byexposing the material to light - by necessity with a higher energy than the energy of the luminescence light. Photoluminescence is also called fluorescence if the emission happens less than about 1 µs after the excitation, and phosphorescence if it takes long times- up to hours and days - for the emissionCathodoluminescence describes excitation by energy-rich electrons, chemoluminescence provides the necessary energy by chemical reactions. Here we are interested in electroluminescence, in particular in injection luminescence. Injection luminescence occurs if surplus carriers are injected into a semiconductor which then recombine via a radiating channel.
Schechner (c)91לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Luminescenceפליטת אור אחר הזרקת אנרגיה לתווך
Photoluminescenceלומינסנציה לאחר הזרקת פוטונים
פוטו-לומינסציה המתרחשת פחות אחרי הזרקת הפוטוניםs 1מ-
Fluorescence
פוטו-לומינסציה המתרחשת זמן ארוך (דקות ואף ימים) אחרי ההזרקה
Phosphorescence
לומינסנציה במל"ם לאחר הזרמת אלקטרונים ברמת ההולכה
Electroluminescence,
Injection Luminescence
Cathodoluminescenceלומינסנציה אחרי הפצצה באלקטרונים