930 likes | 1.18k Views
מקורות קרינה ולייזרים. 9.1 - יתרונות של דיודות לייזר. 9.2 – חזרה על פיסיקה של מצב מוצק. 9.3 – אלקטרו-לומינסצנסיה. 9.4 - פליטת אור בצמתים. 9.5 - מדוע לא מייצרים לייזרים ולדים מסיליקון ?. 9.6 - חומרים עם מעברים ישירים. 9.7 - לייזר Homo-junction. 9 – לייזרים ו- LED -ים במוליכים למחצה.
E N D
מקורות קרינה ולייזרים 9.1 - יתרונות של דיודות לייזר 9.2 – חזרה על פיסיקה של מצב מוצק 9.3 – אלקטרו-לומינסצנסיה 9.4 - פליטת אור בצמתים 9.5 - מדוע לא מייצרים לייזרים ולדים מסיליקון ? 9.6 - חומרים עם מעברים ישירים 9.7 - לייזר Homo-junction 9 – לייזרים ו-LED-ים במוליכים למחצה 9.8 - LED 9.9 - אופן נפחי בלייזר 9.10 - לייזר hetero-junction 9.11 – לייזר בור קוונטי לייזרים 9 - מוליכים למחצה
0 0 1 • אפשרות לאיפנון ע"י driver 20 GHz תקשורת לסיב אופטי זמן ביט tbit = 1/Bitrate I tbit t לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Bit and Byte נניח ש-: • חשב: • את מספר הביטים שיש בספר • תוך כמה זמן מועבר הספר בקו תקשורת של • סיב אופטי המשדר בקצב של ?20 Gigabit/s לייזרים 9 - מוליכים למחצה
core Multimode Fibers a = 80 mm clade Single Mode Fibers a = 2 mm האלומה מתאימה לסיבים אופטיים 1 – 40mm לייזרים 9 - מוליכים למחצה
3. רוחב קו צר ביותר Dl ~ 1 nm דיספרסיה כרומטית קטנה מאפשרת WDM-Wavelength Domain Multiplexing 40 ערוצים לייזרים 9 - מוליכים למחצה
מקדם השבירה כתלות באורך הגל עבור Silica http://www.fiber-optics.info/articles/dispersion.htm dn/dl = (-) Dc לייזרים 9 - מוליכים למחצה
I n l lS l0 lL דיספרסיה אורכי הגל הקצרים נעים יותר לאט לייזרים 9 - מוליכים למחצה
I tbit I t t + Dt t + nDt ואורכי הל הקצרים נעים יותר לאט. אורכי הגל הארוכים נעים יותר מהר. הפולס מאבד את הצורה המלבנית I לייזרים 9 - מוליכים למחצה
50 x 10 x 300mm 4 - ממדים קטנים מאפשר הרכבה כרכיב 5- שאיבה חשמלית בהספק נמוך 15 mA @ 2V 50 % 6 - יעילות אורית גבוה תיפקוד במעגלים של מיקרו-אלקטרוניקה מקובלת לייזרים 9 - מוליכים למחצה
0.4 - 12mm 9 - מגוון אורכי גל 7 - ייצור "המוני" בטכנולוגיה של מוליכים למחצה 8 - ניתן להרכבה (מונוליתית) במעגלים של מיקרו-מעבדים ובלוחות PCB לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E [eV] רמת ההולכה Eg רמת הערכיות d [nm] 9.2 – חזרה על פיסיקה של מל"מ • מבודדים, מוליכים, מוליכים למחצה • מל"מ אינטרינזי • מל"מ אקסטרינזי, זיהומי P, זיהומי N • צמתים, הפעלה בממתח קידמי והפוך לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E [eV] רמת ההולכה hn Eg רמת הערכיות d [nm] lmax = hc/Eg l lmax לדים ולייזרים 9.3 – אלקטרו-לומינסצנסיה לייזרים 9 - מוליכים למחצה
p n V e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + Eg Valence Band d צומת 9.4 - פליטת אור בצמתים Conductance Band Depletion Layer לייזרים 9 - מוליכים למחצה
- + p n e- e- ~~~hn~~~~ e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + + + לזירה בצומת np ממתח קדמי – בזרם גבוהה -היפוף אכלוסיה בצומת לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Light emitting diode _ + p n e- e- e- e- e- ~~~hn~~~~ ~~~hn~~~~ e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + + + + + + לייזרים 9 - מוליכים למחצה
I [w] קרינה ספונטנית קרינה מדורבנת זרם סף A זרם סף, Ith לייזרים 9 - מוליכים למחצה
זרם סף - תלות ב-T I [w] T1 T4 T4>T1 A לייזרים 9 - מוליכים למחצה
רוחב ספקטרלי I קרינה ספונטנית קרינה מדורבנת l0 l לייזרים 9 - מוליכים למחצה
הולכה E [eV] ערכיות d, nm 9.5 - מדוע לא מייצרים לייזרים ולדים מסיליקון ? לייזרים 9 - מוליכים למחצה
- קבוע הגבישa0 ax az ay לייזרים 9 - מוליכים למחצה
קבועי גביש של יסודות מקבוצת IV http://www.semiconfareast.com/lattice_constants.htm לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E(x,t) = E0 sin(wt – kx + f) שימור התנע במעברים (אלקרטרו-לומינסנטיים) בין רמות לכל אלקטרון הנע במהירות v יש תנע p הנתון ע"י: p = m*v לפי de Broile קיים קשר בין התנע של חלקיק (נניח אלקטרון) ואורך הגל שלו: p = h/lelectron נזכור את ההגדרה של "ווקטור הגל" (מתוך פונקצית הגל) k = 2p/lelectron ואז, יש ל-p עוד הגדרה p = (h/2p)k לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E [eV] Ec Ev 1/lelectron V k p דיאגרמתE-k p = m*v p = h/lelectron p = (h/2p)k במקרה הזה המינימה באנרגיה של רמת ההולכה, תואם את המקסימה של רמת הערכיות. שני הערכים מתקבלים באותו k, באותה התנע. לייזרים 9 - מוליכים למחצה
E [eV] Ec Ev k חוק שימור התנע במעבר אלקטרו-לומינסנטי E(k) בסיליקון Dk = ke - kh = 0 ב-Silicon לא יכול לתקיים החוק. המעברים לפליטת קרינה נדירים ביותר. לא ניתן ליצור לייזרים מסיליקון לייזרים 9 - מוליכים למחצה
שימוש מל"מ Gap p(Ev,max) p(Ec,min) כגלאי כמקור + + GaAs Direct 1 + - Si, Ge Indirect ≠ 1 עבור מקורות קרינה במל"מ (לייזרים ולדים), קיים: p = )me* vc(before emission = )me* vv(after emission לייזרים 9 - מוליכים למחצה
III IV V Al C P Ga Si As In Ge Sb הקבוצה III-V 9.6 - חומרים עם מעברים ישירים תרכובות בינריות לא כמזהמים של Si תרכובות אלו, בחלקן, יוצרות גבישים שבהן יכול להתקיים חוק שימור התנע במעברים של פליטה. לייזרים 9 - מוליכים למחצה
תקשורת אופטית צבע ירוק וכחול (אלקטרו- נגטיביות) לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Indirect Bandgap wavelenght, lmax Lattice Constant a0 [Anstrom] אורך הגל כתלות בקבוע הגביש Saleh and Teich p.550 Bandgap Energy (eV) לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Bandgap wavelenght Lattice Constant a [Anstrom] - קבוע הגבישa נמדד ב- Ǻ = 0.1 nm קבועי השריג קטנים מאוד ביחס לאורכי הגל האלקטרו-אופטיים a < l עבור מל"מ אופטרוניים: 0.54 nm < a < 0.65 nm אפשרות לגדל מהוד בדיוק רב l/a0 ≈ 6x10-6/6x10-10 = 104 לייזרים 9 - מוליכים למחצה
Bandgap wavelenght Lattice Constant a [Anstrom] ה-Silicon וה-Germanium גלאים של קרינה אופטרונית Indirect קבועי הגביש של התרכובות הבינריות גדול יותר מזה של הסיליקון Bandgap Energy (eV) לייזרים 9 - מוליכים למחצה
גלאים בלבד Bandgap wavelenght Lattice Constant a [Anstrom] תרכובות בינריות לוזרות Bandgap Energy (eV) לייזרים 9 - מוליכים למחצה
InSbXAS1-x Bandgap wavelenght Lattice Constant a [Anstrom] תרכובות טרנריות לוזרות GaxAl1-xAs Bandgap Energy (eV) לייזרים 9 - מוליכים למחצה
מל"מ טרנרי במעבר בקווים עם אותו קבוע גביש (נצילות טובה) GaAs …. AlxGa1-xAs ….. AlAs מל"מ קטרנרי quaternary אזור המוצל המתוחם על ידי 4 תרכובות בינריות (In1-xGax)( As1-yPy) לייזרים 9 - מוליכים למחצה
תרגיל בעזרת השרטוט תעריך את הערך של x בתרכובת AlxGa1-xAs שתפלוט פוטונים בעלי lg =[0.8 mm] לייזרים 9 - מוליכים למחצה
III V Al P Ga As In Sb מזהמים לקבוצה III-V לייזרים 9 - מוליכים למחצה
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/illustr/i5_1_1.htmlhttp://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 לייזרים 9 - מוליכים למחצה
http://www.theledlight.com/color_chart.html לייזרים 9 - מוליכים למחצה
1 + אלקטרודה חיובית 1 7 איזור pGaAs(:Ge) 2 2 צומת 3 6 אלקטרודה שלילית 4 איזור nGaAs(:Te) 5 מישור מחזיר - מהוד 6 5 3 אלומת הלייזר 7 - 8 4 מישור מחוספס 8 9.7 - לייזר Homo-junction לייזרים 9 - מוליכים למחצה
+ 7 3 mm 300mm 300mm - 300 mm ממדים לייזרים 9 - מוליכים למחצה
n2 – n1 2 R = n2 + n1 יצירת מהוד בגביש של מל"ם • Cleavage • Fresnel reflectance nGaAs = 3.6 RGaAs = 0.32 לייזרים 9 - מוליכים למחצה
+ 7 מהוד ~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ L - Optical Cavity לייזרים 9 - מוליכים למחצה
החזרי פרנל פוגעים בהספק 6 נעזר באופטיקה חיצונית LED - 9.8 זרמים יותר חלשים אין מהוד 1 + 7 2 p 5 3 4 - לייזרים 9 - מוליכים למחצה
+ p n - ה-LED נמצא בתוך עדשה פלסטית LED n = 1.5 לייזרים 9 - מוליכים למחצה
n = 1.5 + n2 – n1 2 R = n2 + n1 - LED RGaAs, air = 0.32 RGaAs, plastic, air = ? לייזרים 9 - מוליכים למחצה
ni < nt nt qt ni qi 9.9 – אופן נפחי בלייזר חוק סנל מתווך צפוף לתווך דליל דליל צפוף הקרן העוברת מתרחקת מהניצב ni sin qi = nt sin qt לייזרים 9 - מוליכים למחצה
nt qi ni הזווית הקריטית ni < nt ni sin qi = nt sin qt qt קיימת זווית פגיעה שעבורה הקרן ה"עוברת" תהיה מקבילה למישור הפגיעה לייזרים 9 - מוליכים למחצה
זווית פגיעה, qi , שעבורה = 900 qt ni < nt ni sin qi = nt sin qt nt qt qc ni qi=qr הזווית הקריטית, qc קרן הפוגעת בזווית qc לא מפתחת קרן עוברת. כל הקרינה מוחזרת בזווית השווה לזווית הקריטית לייזרים 9 - מוליכים למחצה
n 3.6 0.2 - 1.0 % junction p n d הקרינה בתוך הצומת נמצאת ב"תעלה אופטית" אופן נפחי בלייזר פרופיל מקדם השבירה החיסרון של דיודות homojunction: צריכת זרם גדולה Jhomojunction = 400 [A/mm2] לייזרים 9 - מוליכים למחצה
_ + p n e- e- ~~~hn~~~~ e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + + + 1-3mm לזירה בצומת homojunction לייזרים 9 - מוליכים למחצה
+ 7 d = 1-3 mm 9.10 - לייזר hetero-junction מדוע לייזר homojunction צורך הרבה זרם? שתי סיבות 1 - נפח גדול 2 - בריחת פוטונים לייזרים 9 - מוליכים למחצה