Добавил:

Studfiles2 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Предмет:

Полупроводниковые приборы

Файл:

01_инжекционный лазер

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

02.05.2014

Размер:

205.18 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

Общие представления об инжекционных лазерах

Инжекционный лазер предназначен для преобразования электрической мощности, подводимой к прямосмещенному полупроводниковому диоду, в когерентное оптическое излучение.

Идеализированная ватт-амперная характеристика основывается на предположении, что выше порогового тока Ith постоянная доля приращения тока рекомбинации носителей заряда, преобразуется в фотоны, выходящие из лазера (покидающие пределы резонатора):

∆N ph =ηD∆Ne−h

ηD – внешняя дифференциальная квантовая эффективность (%)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 1

Учитывая что


Pout =ε∆N ph		I = q∆Ne−h
где	ε - энергия фотона
	q – заряд электрона.

Pout = (εq)ηD (I − Ith )≡η(I − Ith )

Ток, при котором возникает лазерная генерация называется пороговым током, Ith.

η – внешняя дифференциальная эффективность (Вт/А)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 2

	7				ηC			2,0		60
, Вт	6				ηC
, Вт	6				V					50
out					V			1,5
мощностьВыходнаяP	5							1,5	VНапряжение, В
	5									40
										40	КПДη
											КПДη
	4				Pout						%
	4							1,0		30	,
											,
	3										C
	3
	2									20
	2							0,5
								0,5
	1									10
	1
	00	1	2	3	4	5	6	70,0		0
				Ток I, A

Пример ВАХ и ВтАХ для лазера на квантовой яме InGaAs (λ=980 нм)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 3

В идеальном случае выходная мощность могла бы расти бесконечно при увеличении тока с постоянным наклоном, описываемым дифференциальной эффективностью η, однако в реальном приборе различные механизмы, такие как оптическое разрушение зеркал и тепловой разогрев активной области, устанавливают предел максимальной выходной мощности.

Вольт-амперная характеристика включает начальный экспоненциальный участок, описывающий открытие лазерного диода, и последующий линейный участок, характеризующийся последовательным сопротивлением RS. Она обычно аппроксимируется выражением:

V =V0 + RS I

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 4

V0 – напряжение открывания диода, близкое по величине к (ε/q)

(Однако, различные встроенные потенциальные барьеры, например на гетерограницах, которые могут существовать в лазерной структуре, приводят к дополнительному увеличению напряжения открывания)

Удельное последовательное сопротивление (Ом х см2)

ρS = ∑ diµ + ρcont

eni i

Вклад каждого из слоев плюс дополнительное влияние контактов

ni – концентрация µi – подвижность носителей заряда в i-м слое, di.- толщина.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 5

Электрические характеристики слоев, образующих лазерный диод на основе GaAs

Слой	d,	Al0.8Ga0.2As эмиттеры					Al0.3Ga0.7As эмиттеры
	мкм	N,	µ,	ρ, 10-6		N,		µ,	ρ, 10-6
		-3	2		2	см	-3	2		2
		см	см /Вс	×	2	см		см /Вс	×	2
				Ом см					Ом см
n-контакт	-	-	-	2		-		-	2

n-GaAs подложка	100	2×1018	2000	16		2×1018		2000	16

n-AlGaAs эмиттер	1.5	5×1017	100	19		1×1018		800	1

p-AlGaAs эмиттер	1.5	5×1017	50	38		1×1018		100	9

p-GaAs контактный	0.2	1×1019	100	0.1		1×1019		100	0.1
слой

p-контакт	-	-	-	25		-		-	25

Полное				100					53
сопротивление

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 6

Основной вклад в последовательное сопротивление обусловлен:

1)подложкой вследствие большой толщины. Поэтому исходную подложку толщиной около 400 мкм утоньшают до 100 мкм (предел прочности свободной пластины GaAs)

2)Al-содержащими слоями, особенно при высоком содержании Al. Поэтому, хотя 80%-AlGaAs позволяет достичь более хорошего оптического ограничения в GaAs-волноводе (по сравнению с 30%), используется весьма редко.

3)вклад слоев p-типа выше, поэтому используют подложки n-типа.

4)p-контакт, поэтому требуется сильное легирование p-GaAs (>1019 см-3) для уменьшения контактного сопротивления

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 7

Эффективность преобразования мощности, (т.е. коэффициент полезного действия, КПД) определяется как отношение выходной оптической мощности к подводимой электрической мощности.

η	C	= Pout		≈	η(I − Ith )

			IV		I (V0 + IRS )
			IV		I (V0 + IRS )

КПД обобщает в себе электрическую характеристику диода (вольтамперную характеристику) и оптическую характеристику лазера (эффективность преобразования потока инжектированных носителей в когерентный свет, ватт-амперная характеристика).

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 8

1.КПД конкретного диода не является постоянной величиной, а зависит от тока накачки.

2.Ниже порога КПД равно 0

3.При больших токах электрическая мощность растет пропорционально квадрату тока, тогда как оптическая пропорциональна току. Таким образом КПД падает с ростом тока (выходной мощности).

4.Возрастание мощности, рассеиваемой в виде джоулева тепла, приводит к разогреву активной области. Проблема отвода тепла и температурной стабильности лазерных характеристик.

5.Существует оптимальный ток и соответствующая выходная мощность, которые максимизируют КПД для данного прибора (набора электрических и оптических характеристик).

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 1, стр. 9