מקורות קרינה ולייזרים

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


driver אפשרות לאיפנון ע"י 1.20 GHz

תקשורת לסיב אופטי

זמן ביט

t

Itbit = 1/Bitrate

tbit

0 01


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


האלומה מתאימה 2.

לסיבים אופטיים1 – 40 m

Single Mode Fibersa = 2 mclade

Multimode Fibersa = 80 mcore


. רוחב קו צר ביותר3 ~ 1 nm

דיספרסיה כרומטית קטנהמאפשרת

WDM-Wavelength Domain Multiplexing

III1620 - 1530חלון עבירות

ערוצים 40


Silicaמקדם השבירה כתלות באורך הגל עבור

http://www.fiber-optics.info/articles/dispersion.htmdn/d= (-) Dc


דיספרסיה

In

S 0 L

אורכי הגל הקצרים נעים יותר לאט


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


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


- ייצור "המוני" בטכנולוגיה 7

של מוליכים למחצה

12 - 0.4 - מגוון אורכי גל 9m

- ניתן להרכבה (מונוליתית) 8 במעגלים של מיקרו-מעבדים

PCB ובלוחות


– חזרה על פיסיקה של מל"מ 9.2

רמת ההולכה

רמת הערכיות

E[eV]

d [nm]

Eg

מבודדים, מוליכים, מוליכים למחצה•מל"מ אינטרינזי •N, זיהומי Pמל"מ אקסטרינזי, זיהומי •צמתים, הפעלה בממתח קידמי והפוך•


– אלקטרו-לומינסצנסיה 9.3

d [nm]

רמת ההולכה

רמת הערכיות

E[eV]

Egh

max

max = hc/Eg

לדים ולייזרים


- פליטת אור בצמתים9.4

p

+ + + + + + + +

Depletion Layer

e- e- e- e- e- e- e-

n

Eg

Valence Band

Conductance BandV

d

צומת


npלזירה בצומת

n p+-

e- e- e- e- e- e- e-

+ + + + + + + + + +

e-

e- h

ממתח קדמי – בזרם גבוהה -היפוף אכלוסיה בצומת


Light emitting diode

e- e- e- e- e- e- e-

n p

+ + + + + + + +

_ +

+ +

e-

e-

h

+ + +

e- e- e-

h


זרם סף

I[w]

A ,זרם סףIth

קרינה ספונטנית

קרינה מדורבנת


T - תלות ב- זרם סף

I[w]

A

T1

T4

T4>T1


רוחב ספקטרלי

I קרינה ספונטנית

קרינה מדורבנת

0


הולכה

ערכיות

E[eV]

d, nm

- מדוע לא מייצרים לייזרים ולדים מסיליקון ?9.5


ax

ay

a0קבוע הגביש -

az


קבועי גביש של יסודות מקבוצת IV

Element or Compound

TypeNameCrystal

Structure

Lattice Constant at 300 K (Å(

CElementCarbon (Diamond(

Diamond3.56683

SiElementSiliconDiamond5.43095

GeElementGermaniumDiamond5.64613

SnElementGrey TinDiamond6.48920

http://www.semiconfareast.com/lattice_constants.htm


שימור התנע במעברים (אלקרטרו-לומינסנטיים) בין רמות

הנתון p יש תנע vלכל אלקטרון הנע במהירות ע"י:

p = m*v קיים קשר בין התנע של חלקיק de Broileלפי (נניח אלקטרון) ואורך הגל שלו:

p = h/electron

עוד הגדרהpואז, יש ל-p = (h/2)k

נזכור את ההגדרה של "ווקטור הגל" (מתוך פונקצית הגל)k = 2electron

E(x,t) = E0 sin(t – kx + )


דיאגרמת E-k

E[eV

]

Ec

Ev

p = m*vp = h/electron

p = (h/2)k

במקרה הזה המינימה באנרגיה של רמת ההולכה, תואם את המקסימה של רמת הערכיות.

, באותה התנע.kשני הערכים מתקבלים באותו

k V 1/electronp


חוק שימור התנע במעבר k = ke - kh = 0אלקטרו-לומינסנטי

E[eV]

Ec

Ev

k

Siliconב-לא יכול לתקיים החוק.

המעברים לפליטת קרינה נדירים ביותר.

לא ניתן ליצור לייזרים מסיליקון

E(k)בסיליקון


Si, Ge

GaAs

מל"מ

-+

++

כגלאיכמקור

שימוש

≠1Indirect

1 Direct

p(Ev,max)

p(Ec,min)

Gap

p = )me* vc (before emission = )me* vv(after emission

עבור מקורות קרינה במל"מ (לייזרים ולדים), קיים:


III-Vהקבוצה

תרכובות אלו, בחלקן, יוצרות גבישים שבהן יכול להתקיים חוק שימור התנע במעברים של פליטה.

תרכובות בינריותIn

Ga

Al

III

Ge

Si

C

IV

Sb

As

P

V

Siלא כמזהמים של

- חומרים עם 9.6מעברים ישירים


IIIIIIVVVI

B C

(2,5(N

(3,1(O

(3,5(

Al (1,5(

Si (1,7(

P (2,1(

S (2,4(

Zn (1,7(

Ga (1,8)

Ge (2,0(

As (2,2(

Se

Cd (1,5(

In (1,5(

Sn (1,7(

Sb (1,8(

Te (2,0(

HgTlPb

(1,6(Bi

(1,7(Po

תקשורת אופטית צבע ירוק וכחול

(אלקטרו-נגטיביות)


אורך הגל כתלות בקבוע הגביש

Bandgap wavelenght, max

Bandgap Energy (eV)

LatticeConstant

a0

[Anstrom ]

Indirect

Saleh and Teich p.550


Bandgap wavelenghtLatticeConstant

a[Anstrom ]

Ǻ = 0.1 nmנמדד ב- aקבוע הגביש -

עבור מל"מ אופטרוניים: 0.54 nm < a < 0.65 nm

קבועי השריג קטנים מאוד ביחס לאורכי הגל האלקטרו-אופטיים

a <

a0 ≈ 6x10-6/6x10-10 = 104אפשרות לגדל מהוד בדיוק רב


Germanium וה- Siliconה-

Bandgap wavelenght

Bandgap Energy (eV)

LatticeConstant

a[Anstrom ]

Indirect

גלאים שלקרינה אופטרונית

קבועי הגביש של התרכובות הבינריות גדול יותר מזה של הסיליקון


תרכובות בינריות לוזרות

Bandgap wavelenght

Bandgap Energy (eV)

LatticeConstant

a[Anstrom ]

גלאים בלבד


InSbXAS1-x

טרנריותתרכובות לוזרות

Bandgap wavelenght

Bandgap Energy (eV)

LatticeConstant

a[Anstrom ]

GaxAl1-xAs


מל"מ טרנרי במעבר בקווים עם אותו קבוע גביש

(נצילות טובה)GaAs …. AlxGa1-xAs ….. AlAs

quaternaryמל"מ קטרנרי 4אזור המוצל המתוחם על ידי

תרכובות בינריות

(In1-xGax)( As1-yPy)


תרגיל

בעזרת השרטוט תעריך את -AlxGa1 בתרכובת xהערך של

xAsשתפלוט פוטונים בעלי

g = [0.8 mm]


III-Vמזהמים לקבוצה

III V

Al P

Ga As

In Sb


http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/illustr/i5_1_1.html

Energy Levels of Dopants in III-V Compound Semiconductors


http://www.theledlight.com/color_chart.html

Wavelengt

h(nm)

Color Name

Fwd Voltage(Vf @ 20ma)

Intensity5mm LEDs

LED Dye Material

635High Eff. Red

2.0200mcd @20mA

GaAsP/GaP - Gallium Arsenic Phosphide / Gallium Phosphide

633Super Red

2.23500mcd@20mA

InGaAIP - Indium Gallium Aluminum Phosphide

623Red- Orange

2.24500mcd@20mA

InGaAIP - Indium Gallium Aluminum Phosphide

612Orange2.1160mcd @20mA

GaAsP/GaP - Gallium Arsenic Phosphide / Gallium Phosphide


Homo-junction - לייזר 9.7

אלקטרודה חיובית1

p GaAs(:Ge)איזור 2

צומת3

אלקטרודה שלילית4

n GaAs(:Te)איזור 5

מישור מחזיר - מהוד6

מישור מחוספס8

אלומת הלייזר7

1

3

+

-

2

6

5

48

7


ממדים+

300 m

-

300 m

300 m

7

3 m


יצירת מהוד בגביש של מל"ם

•Cleavage•Fresnel reflectance

nGaAs = 3.6n2 – n1

n2 + n1

2R =

RGaAs = 0.32


Optical Cavity

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

+

-

7

מהוד

L

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~


LED - 9.8

1

3

+

-

2

5

7

4

p6

אין מהוד

זרמים יותר חלשים

נעזר באופטיקה חיצונית

החזרי פרנל פוגעים בהספק


LED

n = 1.5

LEDה-נמצא

בתוך עדשה פלסטית +

-

p

n


LED

RGaAs, air = 0.32

n2 – n1

n2 + n1

2R =

RGaAs, plastic, air = ?

+

-

n = 1.5


חוק סנל מתווך צפוף לתווך דליל

ni sin i = nt sin t

הקרן העוברת מתרחקת

מהניצב

t

i

ni

nt

ni < nt

דליל

צפוף

– אופן נפחי 9.9 בלייזר


הזווית הקריטית

ni sin i = nt sin t

ni < nt

ni

nt

i

tקיימת זווית פגיעה

שעבורה הקרן ה"עוברת" תהיה מקבילהלמישור הפגיעה


c, הזווית הקריטית

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


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]


לזירה בצומת homojunction

e- e- e- e- e- e- e-

n p

+ + + + + + + +

_ +

+ +

e-

e-

~~~h~~~~

1-3 m


-heteroלייזר - 9.10junction

+

7

d = 1-3 m

- נפח גדול1

- בריחת 2פוטונים

homojunctionמדוע לייזר צורך הרבה זרם?

שתי סיבות


Hetero-junctionלייזר +

-

d = 0.2 m

כנגד הנפח גדול :

הקטנת עובי השכבה הפעילה

עדיין קרינה בורחת

הוספת שכבה נוספת


homojunctionלזירה בצומת

e- e- e- e- e- e- e-

n p

+ + + + + + + +

_ +

+ +

e-

e-

h

1-3 m


hetero-junctionלזירה בצומת

0.2 m

e- e- e- e- e- e- e-

N p_ +P

e- e- e- e-

+ + + + +

+ + + +

הוספת שכבה פעילה


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


הגדרות -לייזר heterojunction

N p P

D

1 2

3

ConductionBand

Valence Band

n


heterojunctionדרישות מלייזר

Eg2< Eg1, Eg3

שקיפות לאורך גל הלוזר

n2> n1 , n3

1

2

תעלת אור3

Ec1 < Ec2 < Ec3

Ev1 < Ev2 < Ev3

4מדרגת עצירה


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


דוגמהInGaAsP/InP

Layer 1

InPn =3.5

Layer 2

In1-xGaxAsy-

1Py

Eg2 = 1.1-1.7 eV

Layer 3

InPn =3.5


יצירת בור פוטנציאל

GaAlAs GaAs GaAlAs

10 nm

E

d

Quantum Well Lasers

GaAlAsGaAlAs GaAlAsGaAlAsאלומהקוהרנטית

מכאן

GaAs

מרזר אקסי

ליית ב

ביורי

שיע


GaAlAs GaAs GaAlAs

-e- e- e- eזרמיםElectron current

+ + + + +

Hole current

d

E


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


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


+ + + + +

E

- +

d

מעבר מאנרגיה רציפה לאנרגיה בקוונטים

e- e- e- e-

המבנה הקוונטי של רמות האנרגיה בבור לא מאפשרים מעבר רציף


dx

E

dx

- +

d

רמות אנרגיה בבור קוונטי


רמות האנרגיה

Ec =h2 nx,e

2

8me*dx2 עבור אלקטרונים

Ev =h2 nx,h

2

8mh*dx2

עבור חורים


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]


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


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


E1 = 0.055 eV

E2 = 4 E1 = 0.22 eV

E3 = 9 E1 = 0.495

תיאור גרפי

n = 1

n = 2

n = 3


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


חוקי המעברבבורות פוטנציאל

n = 0

n ≠ 0n = 1, 2, 3,…


מעבר בין רמות

Conductance

Band nc3

nc2

nc1

Valence Band

nv1

nv2

nv3

n ≠ 0 התוצאה: Egהגדלת


Conductance

Bandnc3

nc2

nc1

Valence

Band

nv1

nv2

nv3

h


nc = nv


Conductance

Bandnc3

nc2

nc1

Valence

Band

nv1

nv2

nv3

h ?


nc ≠ nv


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


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


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


Multiple Quantum Well

GaAlAsGaAlAs GaAlAsGaAlAs

MQW

- אלומה+קוהרנטית

אלומהקוהרנטית




+-

E

d

Eg(bulk)

E = Eg(bulk) + EQ

MQWפס הערכיות ופס ההולכה


ירידת הזרם במעבר בין בורות

-+

E

d

I0 0.9I0 0.x I0


מספר אורכי גל בגביש אחד

-

E

+

d

קיימת אפשרות לייצירת מספר אורכי גל בגיש אחד

dx1 dx2 dx3dx4

אין בקרה מהוד משותף?


Separate Confinement Heterostructure SCH

הוספת שכבה מעכבת מעבר של • אלקטרונים

Ec,SCH > Ec,MQW

הוספת שכבה מעכבת בריחה של •פוטונים

nSCH < nMQW


- +

MQW

SCH + MQW

-

MQW

Refractive index walls

+


- +

E

d

MQW- +

E

d

MQW + SCH


MQW + SCH- +

E

d

1 2 3 4

ארבע מל"מים שונים


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


מבור קוונטי לחוט קוונטי

- +

קיר הבור -קיר הבור +

חומר לוזרחומר בעל התנגדות גבוהה


- +

כיוון הלזירהכיווני התהודה

- +


Quantum Dot

כיוון זרם האלקטרונים

איזורפעיל

התנגדות גבוהה

התנגדות גבוהה

התנגדותגבוההושקוף

התנגדותגבוההושקוף


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.


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

Chemoluminscenceלומינסנציה כתוצאה מתגובה כימית

צורות לומינסנציה

Documents

מקורות קרינה ולייזרים