СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»
НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ №5						Экз.№
полковник		В. Никулин
			199 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

«Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника»

для курсантов

2 –х курсов СВВИУС

Тема:

№ 9

Светоизлучающие приборы

Лекция	№19	Полупроводниковые светодиоды и лазеры
				Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)
								199 г.
				Протокол №

Ставрополь 1997 г.

Учебные и воспитательные цели:
объяснить научно-технические основы устройства и функционирования полупроводниковых лазеров и светодиодов, их конструкцию, характеристики и параметры; назначение этих приборов и области их применения.
Время ........................	90 мин.
Учебно-материальное обеспечение Диафильм «Функциональная микроэлектроника» ЛЭТИ
Распределение времени лекции
Вступительная часть ........................	5 мин.
Учебные вопросы лекции Полупроводниковые лазеры Принцип действия и конструкция светоизлучающих приборов Характеристики и параметры светоизлучающих приборов Заключение	35 мин. 22 мин 20мин 5 мин.
Задание курсантам для самостоятельной работы..................	3 мин.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

Использованная при подготовке лекции литература

1. Анашкин В.А., Колосов Л.В., Иванов Е.С. Элементная база РЭА. - Ставрополь: СВВИУС, 1993, с.624–633.

2. Анашкин В.А. Фотоэлектронные приборы и светоизлучающие диоды. Оптроны. - Ставрополь: СВВИУС, 1988, с. 26–39.

3. Анашкин В.А., Анашкин Р.В. Элементы отображения информации. - Ставрополь: СВВИУС, 1989,59–70.

4. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1981,322–334.

	Лекцию разработал
	старший преподаватель кафедры № 5 майор С.Бондарь
« « 1998 г.

Содержание лекции

1. Полупроводниковые лазеры. По своей сущности полупроводниковые лазеры подразделяются на два основных типа:

- инжекционные;

-неинжекционные.

1.1Инжекционные лазеры.

И

Рис.1. Схематическое представление излучающей структуры

нжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с р-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется терминлазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через р-n-переход (рис.1).

Для обеспечения генерации инжекционного лазера необходимо выполнение всех тех же условий, которые характерны для любого лазера.

Прежде всего, необходима активная среда, способная обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения. В данном случае это прямозонныевырожденныеполупроводники и их твердые растворы. (Полупроводники называются вырожденными, в случае если процессы вынужденного испускания света будут преобладать над процессами поглощения).

Второе условие лазерной генерации состоит в использовании механизма возбуждения активной среды (накачки), создающего инверсию населенности энергетических уровней полупроводника. В данном случае это инжекция носителей заряда р-n-перехода. При некотором смещении реализуется условие инверсии населенности:вблизи р-n-перехода концентрация электронов на более высоких уровнях оказывается выше, чем на более низких. В этом случае полупроводник подготовлен для усиления излучения. Физически это объясняется тем, что электромагнитная волна по мере распространения по кристаллу больше приобретает энергии (из-за стимулированных переходов с верхних уровней на нижние), чем отдает (вследствие поглощения). Для того чтобы в прямозонном полупроводнике имело место усиление изучения с частотой , энергетический зазор между квазиуровнями Ферми для электронов и дырок должен превышать ширину запрещенной зоны (рис.2), т.е.

-, (1)

где - энергия квазиуровня Ферми для электронов;

- энергия квазиуровня Ферми длядырок;

- энергия кванта (электромагнитного излучения –волны);

Рис.2. Зонная диаграмма вырожденного полупроводника:

а) в состоянии термодинамического равновесия; б) и при приложении прямогосмещения.

-ширина запрещенной зоны.

Лишь при выполнении этого неравенства при распространении волны могут индуцироваться переходы электронов "вниз" из заполненных состояний зоны проводимости в незаполненные состояния валентной зоны. Условие реализуется только в вырожденных полупроводниках либо в гетероструктурах.

Для того чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо выполнить третье условие – создать положительную обратную связь, т.е. часть усиленного выходного сигнала возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы, типичным среди которых является резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал и обеспечивающий многократные прохождения волны через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода изучения одно из зеркал делается полупрозрачным. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняет параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола.

Четвертое условие заключается в обеспечении электрического, электронного и оптического ограничений. Суть электронного ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение – это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде, принятие мер против их "распыления" в пассивной области. Оптическое ограничение призвано предотвратить "растекание" светового луча при его многократных переходах через кристалл, "удержание" лазерного луча в активной среде. В полупроводниковых лазерах это достигается тем, что зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла – возникает волноводный эффект самофокусировки луча. Неодинаковость показателей преломления достигается различием в характере и степени легирования зон кристалла, включая и использование гетероструктур. Границы оптического канала лазера не обязательно должны совпадать с границами области электронного ограничения.

Пятое условие существования лазерной генерации состоит в превышении некоторого порога возбуждения. Действительно, создание в активной среде инверсной населенности, обеспечение положительной обратной связи с помощью оптического резонатора определяют энергетические предпосылки необходимые для возникновения лазерного эффекта, но отнюдь не достаточные. Имеются такие "мешающие" факторы, как поглощение в среде затрата части подводимой энергии на бесполезный разогрев кристалла, краевые эффекты, не идеальность зеркал резонатора, спонтанные излучательные и безызлучательные переходы. Необходимость восполнить эти потери и обуславливает наличие порога лазерной генерации.

Итак, для устройства и работы лазера характерны: активная среда, механизм эффективной накачки активной среды; оптический резонатор, электрическая, электронная и оптическое ограничение соответствующих зон возбуждения и возбуждение, превышающее некоторый порог.

Принципиальная особенность инжекционного лазера заключается в конструктивно-технологической интеграции всех перечисленных в данном разделе моментов. Это выделяет его среди лазера других типов и определяет доминирующую роль в оптоэлектронике.