Лазеры Скачать
презентацию
<<  Лазеры и их применение Типы лазеров  >>
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
На рис
На рис
Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации
Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации
Конструкции светодиодов
Конструкции светодиодов
Конструкции светодиодов
Конструкции светодиодов
Полная эффективность преобразования электрического сигнала в
Полная эффективность преобразования электрического сигнала в
Основное отличие этих трёх структур от структуры с плоской геометрией
Основное отличие этих трёх структур от структуры с плоской геометрией
Основное отличие этих трёх структур от структуры с плоской геометрией
Основное отличие этих трёх структур от структуры с плоской геометрией
Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения
Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения
Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения
Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения
Предельная частота светодиода
Предельная частота светодиода
Предельная частота светодиода
Предельная частота светодиода
Предельная частота светодиода
Предельная частота светодиода
Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры
Диапазон длин волн лазерного излучения охватывает область спектра от
Диапазон длин волн лазерного излучения охватывает область спектра от
На рис
На рис
Лазеры
Лазеры
Фото из презентации «Лазеры» к уроку физики на тему «Лазеры»

Автор: Назаров. Чтобы познакомиться с фотографией в полном размере, нажмите на её эскиз. Чтобы можно было использовать все фотографии на уроке физики, скачайте бесплатно презентацию «Лазеры» со всеми фотографиями в zip-архиве размером 322 КБ.

Скачать презентацию

Лазеры

содержание презентации «Лазеры»
Сл Текст Эф Сл Текст Эф
1Светодиоды и полупроводниковые лазеры.3 17энергетических уровня E1 и Е2, один из которых Е10
2Содержание. Светодиоды П/п лазеры П/п лазеры на0 характеризует основное, а другой Е2 - возбужденное
фотонных кристаллах. состояние. Любой переход между этими состояниями
3Светодиоды. Light-Emitting Diode (LED).0 сопровождается испусканием или поглощением фотона с
Светодиодом, или излучающим диодом, называют частотой ?12, определяемой из соотношения h?12=E2-E1.
полупроводниковый прибор (p-n переход), излучающий При обычных температурах большинство атомов находится в
кванты света при протекании через него прямого тока. По основном состоянии. Эта ситуация нарушается в
характеристике излучения излучающие диоды можно результате воздействия на систему фотона с энергией,
разделить на две группы: с излучением в видимой части равной h?12. Атом в состоянии E1 поглощает фотон и
спектра (светодиода) и инфракрасной - диоды переходит в возбужденное состояние Е2. Это и составляет
ИК-излучения. Светодиоды выпускаются красного (GaP : процесс поглощения излучения. Возбужденное состояние
ZnO, GaAs0,6P0,4), оранжевого (GaAs0,35P0,65), зеленого является нестабильным и через короткий промежуток
(GaP), желтого (GaAs0,14P0,86), голубого (GaAs - ErYb, времени без какого-либо внешнего воздействия атом
SiC), фиолетового (GaN) цветов свечения, а также с переходит в основное состояние, испуская фотон с
переменным цветом свечения. Последние имеют два энергией h?12 (спонтанная эмиссия). Время жизни,
электронно-дырочных перехода. Общий свет свечения связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время
зависит от соотношения токов, протекающих через эти возбужденного состояния), может изменяться в широком
переходы. Светодиоды чаще всего используют как диапазоне, обычно в пределах 10-9 - 10-3 с, в
индикаторные устройства. Поскольку глаз чувствителен зависимости от параметров полупроводника, таких, как
только к свету с энергией hv~1.8 эВ (~0.7 мкм), то структура зон (прямая или не прямая) и плотность
полупроводники, которые могут быть использованы для рекомбинационных центров. Столкновение фотона,
создания светодиодов видимого диапазона, должны иметь обладающего энергией h?12, с атомом, находящемся в
ширину запрещённой зоны больше этого значения. На возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход
практике наибольший интерес представляет GaAs(1-x)Px. атома в основное состояние с испусканием фотона с
4На рис. приведена зависимость запрещенной от1 энергией h?12 и фазой, соответствующей фазе падающего
волнового вектора для нескольких значений х, из которой излучения (стимулированное излучение).
следует, что зона проводимости имеет два минимума. Те 18На рис. показана базовая структура лазера с p-n0
минимумы, которые расположены в точке Г, являются переходом. Две боковые грани структуры скалываются или
прямыми, тогда как другие, расположенные на оси х, полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две
непрямые. другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы
5Электроны в прямом минимуме зоны проводимости и0 исключить излучение в направлениях, не совпадающих с
дырки в максимуме валентной зоны обладают одинаковыми главным. Такая структура называется резонатором
квазиимпульсами; электроны в непрямом минимуме имеют Фабри-Перо. Смещение лазерного диода в прямом
другое значение квазиимпульса. Для таких прямозонных направлении вызывает протекание тока. Вначале, при
полупроводников, как GaAs(1-x)Px (x < 0.45) низких значениях тока, возникает спонтанное излучение,
квазиимпульс при межзонных переходах сохраняется, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении
поэтому эти переходы характеризуются высокой степенью смещения ток достигает порогового значения, при котором
вероятности. При этом энергия фотона приблизительно создаются условия для стимулированного излучения, и р-n
равна ширине запрещённой зоны полупроводника. В переход испускает монохроматичный строго направленный
прямозонных материалах процесс излучательной луч света.
рекомбинации является доминирующим. В то же время для 19Для изготовления лазеров используют полупроводники0
GaAs(1-x)Px при х > 0.45 и GaP, у которых с прямыми зонами, например GaAs или GaAlAs, в которых
запрещённая зона не прямая, вероятность междузонных возможны переходы электронов без участия фотонов.
переходов чрезвычайно мала, поскольку в этом случае для Создание инверсной заселённости уровней происходит при
преобразования квазиимпульса при переходе требуется интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче
участие фононов или других факторах рассеяния. Поэтому достигается в гетеропереходах (гомопереходы - p - n -
для усиления излучательных процессов в непрямозонных переходы, созданные в одном и том же веществе,
полупроводниках, таких, например, как GaP, специально гетеропереходы получают между p - и n - областями
создаются рекомбинационные центры. Эффективные центры материалов с различной шириной запрещённой зоны, что
излучательноц рекомбинации в GaAs(1-x)Px могут быть даёт, например, многоступенчатую форму p - n -
созданы путём внедрения специальных примесей, например перехода), изготовленных на основе материалов с высокой
азота. Азот, внедрённый в полупроводник, замещает атомы концентрацией примесей. Усиление света происходит
фосфора в узлах решётки. Азот и фосфор имеют одинаковую только вдоль направлений, перпендикулярных поверхности
внешнюю электронную структуру (оба относятся к V группе зеркал, поэтому из области p - n - перехода через
элементов периодической системы), а структуры их полупрозрачную отражающую поверхность выходит узкий луч
внутренних оболочек сильно различаются. Это приводит к когерентного излучения.
возникновению вблизи зоны проводимости электронного 20На рис. приведена энергетическая зонная диаграмма0
уровня захвата. Полученный таким образом лазера в присутствии внешнего напряжения U.
рекомбинационный центр называется изоэлектронным 21Через p - n - переход инжектируются электроны из n0
центром. В нормальном состоянии изоэлектронные центры - области I в активную область II (толщиной ~ 1мкм),
нейтральны. В материале p-типа инжектированный электрон где происходит излучение фотонов с энергией hv=1.4эВ.
сначала захватывается на центр. Заряженный отрицательно Переход типа p - p+, т.е. несимметрично легированная
центр затем захватывает дырку из валентной зоны, область, между p - областью II и областью III создаёт
формируя связанный экситон. Последующая аннигиляция барьер для электронов, попавших в активную II, и
этой электронно-дырочной пары приводит к рождению способствует накоплению электронов в этой области.
фотона с энергией, примерно равной разности между Лазерный эффект достигается при определённых пороговых
шириной запрещённой зоны и энергией связи центра. Так значениях тока через переход (примерно при 300K).
как захваченный электрон сильно локализован на центре, Начиная с этих значений тока спектральная полоса
его импульс рассеивается. Таким образом обеспечивается излучения значительно сужается. Для уменьшения рабочих
преобразование квазиимпульса, вследствие чего токов и ослабления нагрева активный слой часто
вероятность прямого перехода существенно возрастает. В сокращают до полоски шириной 5 - 20 мкм, идущей от
непрямозонных материалах, таких, как GaP, описанный одной отражающей поверхности до другой. Этого достигают
механизм излучательной рекомбинации является применением узкого металлического электрода (верхнего
преобладающим. на рис.). У подобных устройств снижается как пороговый
6Принцип действия светодиода основан на1 ток (примерно до 100 мА при комнатной температуре), так
излучательной рекомбинации инжектированных носителей в и инерционность вследствие уменьшения ёмкости
прямосмещенном p-n переходе. переходов.
7Конструкции светодиодов. Среди светодиодных0 22В качестве материала, инжектирующего электроны0
структур основной является структура с плоской (вместо n - GaAs) может быть использован более
геометрией (см. рис.). Обычно прямозонные светодиоды широкозонный (рис.). В этом случае активный слой GaAs p
(красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), - типа располагается между двумя широкозонными
тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное полупроводниками p - GaAlAs и n - GaAlAs, которые
излучения) - на подложках GaP (б). обладают более низким коэффициентом преломления. Это
8Переходная область ограничивает образование0 приводит к усилению отражения света от боковых слоёв и,
безызлучательных центров, обусловленных различием следовательно, к уменьшению потерь света. Мощность
решёток. Фотоны, генерируемые в области перехода, излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме,
испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя составляет около 0.1 Вт. В случае импульсного
достигает лишь та их часть, которая проходит через возбуждения мощность может быть значительно повышена,
поверхность. Уменьшение количества излучаемых т.к. нагрев прибора будет ослаблен. КПД инжекционных
светодиодом фотонов обусловлено поглощением в материале лазеров достигает 50%, инерционность составляет 1 -
светодиода, потерями за счёт отражения и потерями за 10-9 c, напряжение питания не превышает 3В, а размеры
счёт полного внутреннего отражения. Потери, связанные с нескольких мм. Модуляция светового тока может
поглощением, весьма существенны в светодиодах на осуществляться изменением напряжения.
подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка 23Наиболее легко и эффективно инверсия населенности0
поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых переходом. В достигается в p-n-переходах за счет инжекции
светодиодах на подложках GaP (б) поглощение составляет электронов. Известно, что в сильнолегированных
~25%, и эффективность излучения может быть существенно (вырожденных) полупроводниках, когда одному и тому же
увеличена. При использовании подложки GaAs на неё значению энергии соответствуют различные электронные
наращивается переходный слой GaAs(1-x)Px переменного или дырочные состояния, в p- и n-областях уровни Ферми
состава с х, изменяющимся в пределах 0-0.4, а затем находятся в пределах разрешенных зон и при тепловом
слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом. равновесии эти уровни для электронов и дырок совпадают
9Полная эффективность преобразования электрического0 (рис.а).
сигнала в оптический даётся следующим выражением: 24В области p-n-перехода образуется потенциальный0
10Основное отличие этих трёх структур от структуры с1 барьер, не позволяющий переходить основным носителям из
плоской геометрией состоит в том, что телесный угол для зоны в зону. Если же к переходу приложить напряжение U
них равен 1. Таким образом, отношение эффективностей в прямом направлении, то потенциальный барьер в области
равно. Это означает, что для структур на GaP c n=3.45 p-n-перехода уменьшается на значение энергии,
при данной геометрии можно ожидать увеличения соответствующей этому напряжению. Как правило, это
эффективности на порядок. На рис. показаны поперечные напряжение оказывается приложенным к переходу,
разрезы других светодиодов, которые имеют вследствие чего равновесие носителей тока нарушается.
параболическую, полусферическую и усечённо сферическую Если при тепловом равновесии распределение электронов и
геометрию. дырок можно было описать с помощью квазиуровня Ферми,
11Инфракрасные светодиоды. Областями применения0 то при наличии приложенного электрического поля
диодов ИК-излучения являются оптронные устройства заполнение состояний нужно рассматривать отдельно для
коммутации, оптические линии связи, системы зоны проводимости и отдельно для валентной зоны. При
дистанционного управления. Наиболее распространённый в включении прямого смещения возникает диффузионный поток
настоящее время инфракрасный источник - это светодиод электронов через p-n-переход, который стремится поднять
на основе GaAs. Он обладает наибольшей эффективностью квазиуровень Ферми Fn для электронов в p-n-области до
электролюминесценции в основном благодаря тому, что его уровня в n-области.
среди всех прямозонных полупроводников GaAs является 25Инжектированные электроны после диффундирования на0
технологически наиболее освоенным. Для изготовления небольшое расстояние, определяемое диффузионной
инфракрасных светодиодов используются многие другие длинной, рекомбинируют с дырками; в результате
полупроводники, имеющие запрещённую зону шириной менее возникает стационарное состояние, при котором скорость
1,5 эВ. К ним относятся твёрдые растворы, в состав рекомбинации электронов в точности сбалансирована
которых входят три или четыре элемента III и V групп скоростью их инжекции. Совершенно аналогичны
периодической системы. Светодиоды по сравнению с рассуждения и для дырок в валентной зоне. При наличии
лазерами имеют как преимущества, так и недостатки. К стационарного состояния положение квазиуровней Ферми
последним относятся меньшая яркость, более низкие для двух типов носителей в области перехода меняется
частоты модуляции и большая спектральная ширина линии (рис. б). Основные носители вытягиваются из контакта,
излучения, типичное значение которой составляет 100-500 чтобы обеспечить условие нейтральности. В настоящее
ангстрем, тогда как лазеры характеризуются шириной время лазерные диоды в основном изготовляют из GaAs или
линии 0,1-1 ангстрем. Ga1-xAlxAs. Структура лазерного диода на p-n-переходе
12Различают два основных типа светодиодов,2 представлена на рис.
обеспечивающих ввод излучения в оптические волокна 26Деградация лазеров. Деградация инжекционных лазеров0
малого диаметра: светодиоды с излучающей поверхностью обусловлена целым рядом механизмов. Выделяют три
(рис.4) и с излучающей гранью (рис.). основных типа деградации: 1) катастрофическое
13Предельная частота светодиода. Экспериментально0 разрушение; 2) образование дефектов темных линий; 3)
показано, что предельная частота возрастает с постепенная деградация. Катастрофическое разрушение
концентрацией р0. Для достижения высоких значений f происходит под действием больших мощностей излучения,
необходимо уменьшать толщину рекомбинационной области и приводящих к непрерывному повреждению зеркал лазера
увеличивать концентрацию носителей. Важным параметром, вследствие образования на их поверхности ямок и
который должен учитываться при конструировании канавок. Дефекты темных линий представляют собой сетку
светодиодов для оптических систем связи, является дислокаций, которые могут формироваться в процессе
диапазон рабочих частот. При внешнем возбуждении работы лазера и внедряться внутрь резонатора.
скорость полной излучательной рекомбинации определяется Появившись, она может сильно разрастись в течение
выражением: Rr = Bnp где В-константа излучательной нескольких часов и вызвать увеличение плотности
рекомбинации, равная G/n0p0 (G-скорость полной порогового тока.
термической генерации). При достаточно низких уровнях 27Полупроводниковые лазеры на фотонных кристаллах.0
возбуждения, таких, что в материале р-типа р примерно 28Ученым из компании Bell Labs удалось разработать0
равно р0, время жизни излучательной рекомбинации лазер нового поколения, используя в качестве
становится равным: А для материала n-типа, когда n полупроводника для изготовления многокаскадного
примерно равно n0: полупроводникового лазера фотонные кристаллы.
14Полупроводниковые лазеры. Полупроводниковые лазеры,0 Полученный лазер обладает уникальными свойствами.
подобно другим лазерам (таким, как рубиновый лазер или Например, его излучение может быть направлено в любом,
же лазер на смеси He - Ne), испускают излучение, заранее выбранном, направлении, что позволяет
когерентное в пространстве и во времени. Это означает, встраивать его в обычную полупроводниковую микросхему.
что излучение лазера высоко монохроматично (имеет узкую Обычный многокаскадный полупроводниковый лазер,
полосу спектра) и создает строго направленный луч представляющий собой набор слоев из тонких
света. Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковых пластин, может излучать свет лишь в
полупроводниковые лазеры существенно отличаются от стороны, как показано на втором рисунке. Новый лазер на
лазеров других типов. фотоных кристаллах избавлен от этого недостатка и может
151. В обычных лазерах квантовые переходы происходят0 излучать свет в любом, заранее выбранном направлении.
между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в 290
полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной 30Фотонный кристалл, являющийся неотъемлемой частью0
структурой материала. 2. Полупроводниковые лазеры имеют нового лазера, представляет собой полупрозрачный
очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как диэлектрик с определенной периодической структурой и
активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), уникальными оптическими свойствами. Уникальность его
расхождение лазерного луча значительно больше, чем у заключается в том, что фотонный кристалл обеспечивает
обычного лазера. 3. Пространственные и спектральные почти полное управление движением проходящего через
характеристики излучения полупроводникового лазера него света. Такие возможности достигаются за счет
сильно зависит от свойств материала, из которого сделан наличия в кристалле диэлектрика равномерно
переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны распределенных мельчайших отверстий. Их диаметр
и коэффициент преломления). 4. В лазере с р-n переходом подобран таким образом, что они пропускают световые
лазерное излучение возникает непосредственно под волны лишь определенной длины, а остальные частично
действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. отражают или поглощают. При определенном физическом
В результате система очень эффективна, поскольку воздействии на кристалл, например, звуковыми волнами,
позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за длина световой волны, пропускаемой кристаллом, и
счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры направление ее движения могут значительно меняться.
характеризуются очень малыми временами стимулированного 31Многокаскадный полупроводниковый лазер представляет0
излучения, модуляция может проводиться на высоких собой этакий "сэндвич", состоящий из
частотах. нескольких (более двух) тончайших, в несколько
16Диапазон длин волн лазерного излучения охватывает0 нанометров толщиной, чередующихся слоев полупроводника
область спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. В с несколько отличающейся проводимостью. Если приложить
интервале длин волн вблизи 0,9 мкм в качестве к разным концам такого сэндвича электрическое
источников излучения используется гетеролазеры на напряжение, то электроны потекут сквозь эти слои весьма
основе GaAs-Al(x)Ga(1-x)As. Вблизи длины волны 1,3 мкм специфичным образом: накопив достаточно энергии, они
в ВОЛС волокно имеет низкие потери (0.6 ДБ/км) и слабую синхронно "перепрыгивают" сквозь слой
дисперсию, а в окрестности длины волны 1,55 мкм потери (выражаясь научно, падают в квантовую яму), излучая
достигают минимального значения (0,2 дБ/км), поэтому в затраченную на переход энергию в виде фотонов.
качестве источников излучения могут использоваться Характерной особенностью такого лазера является то, что
лазеры на основе Ga(x)In(1-x)As(y)P(1-y)-InP. он излучает непрерывно и равномерно, строго параллельно
17Стимулированное излучение. Работа лазера связана с0 плоскости, в которой лежат слои полупроводников.
тремя основными процессами, обусловленными переходом 32Полупроводниковые лазеры скоро встанут на0
носителей: поглощения, спонтанной эмиссии и вооружение США.
стимулированным излучением. Рассмотрим два
32 «Лазеры» | Лазеры 8
http://900igr.net/fotografii/fizika/Lazery/Lazery.html
cсылка на страницу
Урок

Физика

133 темы
Фото
Презентация: Лазеры | Тема: Лазеры | Урок: Физика | Вид: Фото