Dioda elektroluminescencyjna

(1)

Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Wykład VII

Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi

termodynamicznej w półprzewodniku

(2)

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca

Dla T = 0 K, f(E) =



1 E < E_F 0 E > E_F

• W T=0 zapełnione są wszystkie stany o energiach poniżej E_F

• Dla dowolnej temperatury prawdopodobieństwo zapełnienia stanu o energii E_F wynosi 0.5:

f(E) = 0.5 dla E = E_F

 

1 ) 1

( 

_E__E _kT

 e

F

E f

Elektrony są fermionami.

Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu

fermionem:

(3)

Gęstość stanów

Gęstość stanów 𝝆(𝑬) jest to liczba stanów energetycznych na

jednostkę objętości, których energia zawarta jest w przedziale od 𝑬 do 𝑬 + 𝒅𝑬 . W pobliżu krawędzi pasma przewodnictwa:

E 𝝆_𝒄(𝐸)

𝝆

_𝒄

𝑬 𝒅𝑬 = 𝟏 𝟐𝝅

^𝟐

𝟐𝒎 ħ

^𝟐

𝟑/𝟐

𝑬 − 𝑬

_𝒄

𝒅𝑬

(4)

Aby obliczyć ilość elektronów w jednostce objętości o energiach od 𝑬 do 𝑬 + 𝒅𝑬 w stanie równowagi w temperaturze 𝑻, gęstość stanów należy pomnożyć przez funkcję Fermiego- Diraca.

Koncentrację elektronów otrzyma się, jeśli doda się (scałkuje) te elementarne

ilości z całego zakresu energii w pasmie:

Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi termodynamicznej w półprzewodniku

𝒏

_𝟎

= න

𝑬_𝒄

∞

𝒇 𝑬 𝝆

_𝒄

𝑬 𝒅𝑬

𝒑

_𝟎

= න

−∞

𝑬_𝒗

(𝟏 − 𝒇 𝑬 )𝝆

_𝒗

𝑬 𝒅𝑬

(5)

Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi termodynamicznej w półprzewodniku

Koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa:

𝒏

_𝟎

= න

𝑬_𝒄

∞

𝒇 𝑬 𝝆

_𝒄

𝑬 𝒅𝑬

Gęstość stanów w pobliżu krawędzi pasm:

 

1 ) 1

( 

_E__E _kT

 e

F

E f

Prawdopodobieństwo obsadzenia stanu fermionem:

(6)

)

2

(

/ 1

0

N F kT

n 

_C ^E^F^^E^C

2 / 3

2

*

2  

 



  

h

kT N

_C

m

ⁿ

kT E

E C

C C

F

e

C

N E

f N

n

₀

 ( ) 

^⁽ ^ ⁾^/

efektywna gęstość stanów na dnie pasma przewodnictwa

Dla półprzewodnika niezdegenerowanego:

Całka Fermiego

Dla półprzewodnika zdegenerowanego:

𝒏

_𝟎

= 𝟏 𝟑𝝅

^𝟐

𝟐𝒎

^∗ _𝒏

ћ

^𝟐

𝟑/𝟐

(𝑬

_𝑭

− 𝑬

_𝒄

)

^𝟑/𝟐

Koncentracja elektronów i dziur w stanie równowagi

termodynamicznej w półprzewodniku

(7)

Rekombinacja spontaniczna

B. Ziętek Optoelektronika

(8)

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura Półprzewodnik z prostą przerwą

𝒓_𝒔𝒑 ≅ 𝟏

𝝉_𝒓 𝒇_𝒆(𝝂)𝝆(𝝂)

Prawdopodobieństwo rekombinacji promienistej zależy od:

1. Prawdopodobieństwa odpowiedniego obsadzenia stanów w pasmie przewodnictwa i w pasmie walencyjnym 𝒇_𝒆(𝝂) 2. Prawdopodobieństwa przejścia ^𝟏

𝝉_𝒓

3. Łącznej gęstości stanów elektronowych i dziurowych 𝝆(𝝂)

(9)

Poziom Fermiego w półprzewodniku niezdegenerowanym

E_C E_f=E_i E_V

E_C E_i E_V

samoistny

E_f

n-typu p-typu

Wpływ domieszkowania na poziom Fermiego E

_f

:

• n-typu: poziom Fermiego przesuwa się do góry

• p-typu: poziom Fermiego przesuwa się w dół

𝒏 = 𝒏 _𝒊𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒇 − 𝑬 _𝒊 /𝒌𝑻 𝒑 = 𝒏 _𝒊 𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒊 − 𝑬 _𝒇 /𝒌𝑻 𝒏 _𝒊

(10)

Wiadomo, że poziom Fermiego (E_F) ma znaczenie tylko gdy nie ma nośników nadmiarowych (tj. w stanie równowagi).

Można napisać wyrażenia na stacjonarne koncentracje dla elektronów i dziur, podobnie jak wyrażenia na koncentracje równowagowe, definiując oddzielne kwazi-poziomy Fermiego 𝑬_𝒇_𝒏 i 𝑬_𝒇_𝒑 odpowiednio dla elektronów i dziur:

Kwazi-poziomy Fermiego (𝑬_𝒇𝒏i 𝑬 _𝒇𝒑) są odpowiednikami równowagowego poziomu Fermiego E_f. Kiedy obecne są nośniki nadmiarowe, odchyłki 𝑬_𝒇𝒏i 𝑬 _𝒇𝒑 od E_f wskazują, na ile koncentracje elektronów i dziur (n i p) różnią się od równowagowych koncentracji (n₀ i p₀). Odległość między kwazi-poziomami Fermiego (𝑬_𝒇𝒏 − 𝑬 _𝒇𝒑) jest miarą odchyłki od równowagi (w równowadze 𝑬_𝒇𝒏 = 𝑬 _𝒇𝒑 = E_f)

Kwazi-poziomy Fermiego

𝒏 = 𝒏 _𝒊 𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒇𝒏 − 𝑬 _𝒊 /𝒌𝑻 𝒑 = 𝒏 _𝒊 𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒊 − 𝑬 _𝒇𝒑 /𝒌𝑻

(11)

Kwazi-poziomy Fermiego 𝑬_𝒇𝒏 i 𝑬 _𝒇𝒑 dla Si z n₀ = 10¹⁴ cm^-3, 𝝉_𝒏

= 2 ms i g_op = 10¹³ EHP/cm³ 𝝁𝒔 𝒏_𝟎 = 𝟏𝟎^𝟏𝟒𝒄𝒎^−𝟑, 𝒏_𝒊 = 𝟏𝟎^𝟏𝟎𝒄𝒎^−𝟑, 𝒑_𝟎 = ^𝒏^𝒊^𝟐

𝒏_𝟎 = ^𝟏𝟎^𝟐𝟎

𝟏𝟎^𝟏𝟒 = 𝟏𝟎^𝟔𝒄𝒎^−𝟑 𝒏 = 𝒏_{𝟎 +} 𝜹𝒏 = 𝒏_𝟎 + 𝒈_𝒐𝒑𝝉_𝒏 =

𝟏𝟎^𝟏𝟒𝒄𝒎^−𝟑 + ^𝟏𝟎^𝟏𝟑^𝑬𝑯𝑷

𝒄𝒎^𝟑𝝁𝒔 ∙ 𝟐𝝁𝒔 =

= 𝟏𝟎^𝟏𝟒 𝒄𝒎^−𝟑 + 𝟐 ∙ 𝟏𝟎^𝟏𝟑𝒄𝒎^−𝟑 = 𝟏, 𝟐 ∙ 𝟏𝟎^𝟏𝟒𝒄𝒎^−𝟑

Przekształcając równanie

Otrzymujemy:

𝑬_𝒇𝒏 − 𝑬 _𝒊 = 𝟎, 𝟐𝟑𝟑𝒆𝑽

Analogicznie, 𝑬_𝒊 − 𝑬 _𝒇_𝒑 = 𝟎, 𝟏𝟖𝟔𝒆𝑽 otrzymamy z równania:

Przykład

𝒏 = 𝒏 _𝒊 𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒇𝒏 − 𝑬 _𝒊 /𝒌𝑻

𝒑 = 𝜹𝒏 = 𝒏 _𝒊 𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒊 − 𝑬 _𝒇𝒑 /𝒌𝑻

EHP- ilość par elektron-dziura

(12)

Dioda elektroluminescencyjna

(13)

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura Półprzewodnik z prostą przerwą

𝒓_𝒔𝒑 ≅ 𝟏

𝝉_𝒓

(14)

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura

𝒇_𝒆 𝝂 = 𝒇_𝒄𝒇_𝒗 = 𝒇 𝑬_𝟐 [𝟏 − 𝒇 𝑬_𝟏 ]

𝒇 𝑬_𝟐 = 𝟏

𝒆^(𝑬^𝟐^−𝑬^𝒇𝒄^)/𝒌𝑻 + 𝟏

Załóżmy, że półprzewodnik jest samoistny.

ad 1.

𝟏 − 𝒇 𝑬_𝟏 = 𝟏 − 𝟏 𝒆

𝑬_𝟏−𝑬_𝒇𝒗

𝒌𝑻 + 𝟏

= 𝒆

𝑬_𝟏−𝑬_𝒇𝒗 𝒌𝑻

𝒆

𝑬_𝟏−𝑬_𝒇𝒗 𝒌𝑻 + 𝟏

≈ 𝒆𝒙𝒑(−𝑬_𝒇_𝒗 − 𝑬_𝟏 𝒌𝑻 )

Stąd:

𝒇_𝒆 𝝂 ≈ 𝒆𝒙𝒑 −𝑬_𝟐 − 𝑬_𝒇𝒄

𝒌𝑻 ∙ 𝒆𝒙𝒑 −𝑬_𝒇_𝒗 − 𝑬_𝟏

𝒌𝑻 = 𝒆𝒙𝒑 −𝒉𝝂

𝒌𝑻 𝒆𝒙𝒑 −𝑬_𝒇_𝒗 − 𝑬_𝒇𝒄

𝒌𝑻 =

= 𝒆𝒙𝒑 −𝒉𝝂 − 𝑬_𝒈

𝒌𝑻 𝒆𝒙𝒑 𝑬_𝒇_𝒄 − 𝑬_𝒇𝒗 − 𝑬_𝒈 𝒌𝑻

𝒌𝑻 ≪ 𝑬_𝒈

𝟐 ≈ 𝑬_𝟐 − 𝑬_𝒇_𝒄 ≈ 𝑬_𝒇_𝒗 − 𝑬_𝟏 𝒇 𝑬_𝟐 ≈ 𝒆𝒙𝒑(−𝑬_𝟐 − 𝑬_𝒇_𝒄 𝒌𝑻 )

Przy niskim poziomie wzbudzenia, można założyć, że poziom Fermiego leży w połowie przerwy wzbronionej. Wówczas w niskiej temperaturze :

(15)

Gęstość stanów w pobliżu krawędzi pasm:

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura

(16)

3. Łączna gęstość stanów

Zamiast rozważać ruch elektronów i dziur oddzielnie, można opisać przejście elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (lub w odwrotną stronę) jako przejście jednej cząstki o masie równej masie zredukowanej 𝒎_𝒓:

Łączna gęstość stanów:

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura

(17)

• Prawdopodobieństwo obsadzenia – czynnik Boltzmanna

~𝒆

⁻^{𝒉ν−𝑬𝒈}^𝒌𝑻

• Gęstość stanów ~ 𝒉ν − 𝑬_𝒈

Zatem intensywność przejścia:

𝒓

_𝒔𝒑

~ 𝒉ν − 𝑬

_𝒈

𝒆

⁻

𝒉ν−𝑬_𝒈 𝒌𝑻

Wówczas intensywność przejścia będzie proporcjonalna do iloczynu prawdopodobieństwa obsadzenia przez tę cząstkę stanu o energii E i gęstości

stanów.

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura

(18)

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura

W stanie równowagi termodynamicznej

𝜏_𝑟- czas życia na rekombinację promienistą

𝑫 = 𝟐𝒎_𝒓 ^𝟑/𝟐

𝝅ћ^𝟐𝝉_𝒓 𝐞𝐱𝐩 𝑬_𝒇_𝒄 − 𝑬_𝒇𝒗 − 𝑬_𝒈 𝒌𝑻

(19)

FWHM

FWHM – full width at half maximum – szerokość połówkowa

(20)

Wydajność kwantowa

Wewnętrzna wydajność kwantowa:

𝜼 _𝒊 = 𝒍𝒊𝒄𝒛𝒃𝒂 𝒘𝒚𝒆𝒎𝒊𝒕𝒐𝒘𝒂𝒏𝒚𝒄𝒉 𝒇𝒐𝒕𝒐𝒏ó𝒘/𝒔𝒆𝒌

𝒍𝒊𝒄𝒛𝒃𝒂 𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒐𝒏ó𝒘 𝒘𝒔𝒕𝒓𝒛𝒚𝒌𝒏𝒊ę𝒕𝒚𝒄𝒉 /𝒔𝒆𝒌 = 𝑷_𝒊𝒏𝒕/𝒉𝝂 𝑰/𝒆

W powyższym równaniu chodzi o fotony wyemitowane przez obszar aktywny LED.

Jeśli liczba fotonów wyemitowanych do przestrzeni jest mniejsza, to wprowadza się wydajność ekstrakcji:

𝜼 _{𝒆𝒌𝒔𝒕𝒓} = 𝒍𝒊𝒄𝒛𝒃𝒂 𝒘𝒚𝒆𝒎𝒊𝒕𝒐𝒘𝒂𝒏𝒚𝒄𝒉𝒇𝒐𝒕𝒐𝒏ó𝒘

𝒔𝒆𝒌 𝒅𝒐 𝒑𝒓𝒛𝒆𝒔𝒕𝒓𝒛𝒆𝒏𝒊 𝒍𝒊𝒄𝒛𝒃𝒂 𝒘𝒚𝒆𝒎𝒊𝒕𝒐𝒘𝒂𝒏𝒚𝒄𝒉𝒇𝒐𝒕𝒐𝒏ó𝒘

𝒔𝒆𝒌 𝒑𝒓𝒛𝒆𝒛 𝒐𝒃𝒔𝒛𝒂𝒓 𝒂𝒌𝒕𝒚𝒘𝒏𝒚

= 𝑷/𝒉𝝂 𝑷_𝒊𝒏𝒕/𝒉𝝂

Zewnętrzna wydajność kwantowa i generowana moc optyczna:

𝜼 _{𝒛𝒆𝒘𝒏} = 𝜼 _{𝒆𝒌𝒔𝒕𝒓}𝜼 _𝒊 = 𝑷/𝒉𝝂

𝑰/𝒆 𝑷 = 𝜼 _{𝒛𝒆𝒘𝒏} ∙ 𝑰 ∙ 𝒉𝝂

𝒆

(21)

Odpowiedź LED

𝑷 = 𝜼 _{𝒛𝒆𝒘𝒏} ∙ 𝑰 ∙ 𝒉𝝂 𝒆

𝑹 = 𝑷

𝑰 = 𝜼 _{𝒛𝒆𝒘𝒏} ∙ 𝒉𝝂

𝒆 [𝑾

𝑨]

(22)

Relacja dyspersji E(k) i rekombinacja promienista

Aby mogła nastąpić emisja lub absorpcja światła, muszą zostać spełnione zasady zachowania energii i pędu (w krysztale tj. pseudopęd). Pęd fotonu jest do pominięcia w stosunku do pędu elektronu w cele stałym. Dlatego emisja i absorpcja w półprzewodniku z prostą przerwą wzbronioną są dużo bardziej prawdopodobne niż w przypadku półprzewodnika ze skośną przerwą, gdzie w obydwu procesach musi wziąć udział trzecia cząstka – fonon. Inaczej nie zostanie spełniona zasada zachowania pędu.

𝑬𝟐 − 𝑬𝟏 = 𝒉𝝂

Przerwa prosta:

𝒑_𝟐 − 𝒑_𝟏 ≅ 𝟎

Przerwa skośna:

𝒑_𝟐 − 𝒑_𝟏 ≅ 𝒑_{𝒇𝒐𝒏𝒐𝒏𝒖}

𝒑_{𝒇𝒐𝒕𝒐𝒏𝒖} ≪ 𝒑_{𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒐𝒏𝒖}

(23)

Wydajność ekstrakcji

Światło, które opuszcza aktywny obszar jest absorbowane (A):

i odbijane:

Ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu (promień C). Pole powierzchni wycinka sfery (czaszy kulistej zamykającej stożek kąta bryłowego):

Pole powierzchni sfery:

(24)

Konstrukcje LED

(25)

LED – diagram pasmowy

Diagram pasmowy LED bez polaryzacji i po

spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia. Napięcie

polaryzujące diodę zmniejsza barierę potencjału 𝑽

_𝒐

i

nośniki większościowe dyfundują do odpowiednich

obszarów złącza, rekombinując w obszarze złącza.

(26)

Widmo promieniowania i energie wzbronione

Bandgap - przerwa wzbroniona, lattice constant – stała sieciowa

(27)

Dioda GaAs

_(1-x)

P

_x

x = 0.4 LED świecą na czerwono, x = 0.65 – na pomarańczowo, x = 0.85 – na żółto i x = 1 – na zielono.

GaAs_1-xP_x dla składów molowych x<0.42 jest półprzewodnikiem z prostą przerwą wzbronioną. Dlatego prawdopodobieństwo rekombinacji promienistej jest duże. Natomiast dla większych składów – półprzewodnikiem o skośnej przerwie wzbronionej. Stąd czysty GaP nie nadaje się na diody LED. Aby umożliwić rekombinację promienistą w tym krysztale, wprowadza się do niego tzw. domieszkę zlokalizowaną - azot.

E

k

Przerwa prosta Przejście prosta – skośna x=0.42 Przerwa skośna

Poziom N Poziom

N

(28)

Widmo LED

GaAsP / GaAs 655nm / czerwone GaP 568nm / żółto-zielone

GaP 700nm / jasno czerowne

GaAsP / Gap 610nm / bursztynowe GaP 555nm / czysta zieleń

GaAsP / GaP 655nm / czerwone o wysokiej wydajności

GaP 568nm / żółto-zielone

GaAlAs / GaAs 660nm / czerwone InGaAlP 574nm / zielone

InGaAlP 574nm/zielone

InGaAlP 620nm / pomarańczowe InGaAlP 595nm / żółte

λ

_𝑝

= ℎ𝑐

𝐸

_𝑔

(29)

Sposoby otrzymywania białych emiterów LED

przez konwersję promieni UV w luminoforze RGB poprzez mieszanie

trzech barw podstawowych

przez częściową konwersję promieni niebieskich w

luminoforze żółtym

(30)

Wydajność świetlna LED

(31)

SLD i OLED

(32)

OLED

Natężenie światła emitowanego przez OLED zależy od natężenia prądu płynącego od anody do katody.

W wyświetlaczach OLED każdy piksel jest diodą. Barwa emitowanego światła zależy do materiału warstwy organicznego emitera. Ponieważ OLED nie musi być podświetlany, poziom czerni jest lepszy niż w wyświetlaczach LCD.

(33)

Porównanie LED i OLED

(34)

Wyświetlacze LCD

Budowa LCD

1.komórki, w których zatopiona jest niewielka ilość ciekłego kryształu 2.elektrody będących źródłem pola

elektrycznego działającego bezpośrednio na ciekły kryształ

3.dwie cienkie folie, z których jedna pełni rolę polaryzatora a druga analizatora

4.źródła światła.

Światło wnikające do komórki jest wstępnie polaryzowane pionowo przez filtr polaryzacyjny, przechodzi przez szklaną elektrodę i warstwę ciekłego kryształu. Mikrorowki na elektrodach wymuszają takie uporządkowanie cząsteczek tworzących warstwę ciekłokrystaliczną, aby przy wyłączonej elektrodzie nastąpiło obrócenie polaryzacji światła o 90°. Dzięki temu światło może przejść przez folię pełniącą rolę analizatora światła, która przepuszcza tylko światło spolaryzowane poziomo, odbić się od lustra, przejść ponownie przez analizator, ulec ponownej zmianie polaryzacji o 90° na warstwie ciekłego kryształu i ostatecznie opuścić bez przeszkód wyświetlacz, przez górną folię polaryzacyjną. Po przyłożeniu napięcia do elektrod, generowane przez nie pole elektryczne wymusza taką zmianę uporządkowania cząsteczek w warstwie ciekłego kryształu, że nie obraca ona polaryzacji światła. Powoduje to, że światło nie przechodzi przez analizator, co daje efekt czerni.

(35)

W dolnej warstwie wyświetlacza znajdują się źródła światła (1). W pierwszej kolejności światło pada na polaryzator (2), co sprawia, że tylko część światła przechodzi dalej. Następnie światło przechodzi przez przezroczystą elektrodę (3) i trafia na ciekły kryształ (4 i 5). W kolejnym kroku, w zależności od ułożenia molekuł ciekłego kryształu, światło zmienia swoją polaryzację (fala świetlna ulega

“skręceniu” (4)) lub też nie (5). Światło przechodzi teraz przez kolejną przezroczystą elektrodę (6) i trafia na analizator (7) – warstwę, która przepuszcza tylko światło o określonej polaryzacji.

To, czy światło przechodzi przez cały układ, czy nie zależy od tego jak skręcone są cząsteczki ciekłego kryształu, a to z kolei zależy od napięcia pomiędzy elektrodami.

Wyświetlacz jest podzielony na bardzo dużą liczbę pól zwanych pikselami. To właśnie piksele składają się na widoczny na ekranie obraz. Sterowanie jasnością każdego z pikseli pozwala na uzyskanie mozaiki, tworzącej obraz.

Uzyskanie kolorowego obrazu na wyświetlaczu LCD jest bardzo proste. W odpowiedniej warstwie ekranu dodany jest barwny filtr (8), który zmienia kolor przechodzącego światła. W większości wyświetlaczy wykorzystywane są trzy filtry: czerwony, zielony i niebieski (ang. Red, Green, Blue –

RGB). Światło, które przeszło przez filtry miesza się i tworzy różne kolory.

(36)

Laser półprzewodnikowy

(37)

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura Półprzewodnik z prostą przerwą

𝒓_𝒔𝒑 ≅ 𝟏

𝝉_𝒓

(38)

Rekombinacja promienista pary elektron-dziura

ad 2. W przybliżeniu, można założyć, że czas życia na rekombinację promienistą

𝝉_𝒓 = 𝟏

𝑴 ^𝟐 ≈ 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕

ad 3. Łączna gęstość stanów

(39)

Warunek obsadzeń - absorpcja i emisja

Emisja Absorpcja

(40)

Wzmocnienie w półprzewodniku- warunek obsadzeń

Emisja Absorpcja

Współczynnik inwersji Fermiego:

Wzmocnienie, jeśli współczynnik inwersji 𝒇_𝒈 ν > 0

𝒇

_𝒄

𝑬

_𝟐

= 𝟏/ 𝒆𝒙𝒑 (𝑬

_𝟐

− 𝑬

_𝒇𝒄

)/𝒌𝑻 + 𝟏 𝒇

_𝒗

𝑬

(41)

Wzmocnienie w półprzewodniku - warunek obsadzeń

𝒇

_𝒄

𝑬

_𝟐

= 𝟏/ 𝒆𝒙𝒑 (𝑬

_𝟐

− 𝑬

_𝒇𝒄

)/𝒌𝑻 + 𝟏 𝒇

_𝒗

𝑬

_𝟏

= 𝟏/ 𝒆𝒙𝒑 (𝑬

_𝟏

− 𝑬

_𝒇𝒗

)/𝒌𝑻 + 𝟏

Półprzewodnik zdegenerowany

typu n

Poziom Fermiego znajduje się w obszarze przerwy wzbronionej

Poziom Fermiego znajduje się w obszarze pasma przewodnictwa

Tylko fotony o energii zawartej w przedziale pomiędzy 𝑬_𝒈 a 𝑬_𝒇𝒄 − 𝑬_𝒇𝒗 są wzmacniane.

(44)

Laser homozłączowy

(45)

Laser półprzewodnikowy

a) dioda bez polaryzacji

b) dioda spolaryzowana napięciem równym energii wzbronionej półprzewodnika.

Warunek wystąpienia akcji laserowej:

• półprzewodniki zdegenerowane

• napięcie polaryzujące równe ~ przerwie wzbronionej (pompowanie)

𝑬

_𝒇𝒄

− 𝑬

_𝒇𝒗

> 𝑬

_𝒈

(46)

Właściwości prom. laserowego

(47)

Złącze p-n w optoelektronice

fotodioda LED laser

(48)

Laser heterozłączowy

(49)

Źródło ASE

Realizacja inwersji obsadzeń we włóknie światłowodowym domieszkowanym jonami ziem rzadkich (RE) jest łatwa, ponieważ

„uwięzienie” fotonów we włóknie (zwykle <10 mm) a więc i intensywność pompowania w rdzeniu jest b. duża. Dlatego emisja wymuszona we włóknie domieszkowanym jonami ziem rzadkich jest bardzo wydajna.

Stąd włókna są często używane jako źródła ASE, lasery światłowodowe i światłowodowe wzmacniacze optyczne.

(50)

Źródło ASE

(51)

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)

• Markery nowotworowe – fluorescencja po oświetleniu światłem niebieskim komórek rakowych różni się od fluorescencji zdrowych komórek.

• Detekcja broni chemicznej i biologicznej - po oświetleniu światłem niebieskim pierwiastki znajdujące się w broni chemicznej i biologicznej fluoryzują.

• Lepsze drukarki – drukarki laserowe na niebieskim laserze mają dwukrotnie większą rozdzielczość

• Medycyna/stomatologia – skalpele, rozdrabniacze złogów i udrażnianie arterii, renowacja uszkodzonej rogówki i naczyń krwionośnych w oku, utwardzanie wypełnień w zębach.

• Zastos. militarne – naprowadzanie na cel

• Nauka – Charakteryzacja materiałów i metrologia

(52)

Lasery-zastosowanie

• Większość współczesnych dysków (CD i DVD) jest wykonywana przy użyciu laserów na bazie GaAs, które emitują światło w

czerwonym lub podczerwonym zakresie widma promieniowania

• CD ≈ 700MB używa lasera na 780nm

• DVD o pojemności 4.7GB - lasera na ≈ 640nm.

• Niebieskie lasery o długości fali ≈ 405 nm: Blu-ray i Advanced Optical Disc mają pojemność 23GB i 36GB.

• Krótsze fale umożliwiają zapis olbrzymiej ilości danych