close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовая работа по ТЭ(оригинал) (2)

код для вставкиСкачать
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Омский государственный технический университет"
Кафедра "Технология электронной аппаратуры"
Курсовое проектирование на тему:
"Полупроводниковый лазер"
Выполнил:
студент гр. РЭБ-310
Васильев В.Ф.
Проверил:
доцент, к.т.н. Шкаев А.Г.
Омск 2012
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Омский государственный технический университет"
Кафедра "Технология электронной аппаратуры" Специальность 210100.62 - "Промышленная электроника"
Задание
На курсовое проектирование по дисциплине "Твердотельная электроника" Студент группы РЭБ-310 Васильев Василий Федотович
Тема проекта: "Полупроводниковый лазер"
Срок сдачи законченного проекта - 15 неделя 2012 г.
Содержание курсового проекта:
1. Пояснительная записка.
2. Графическая часть.
Содержание расчетно-пояснительной записки:
Техническое задание.
Аннотация.
Содержание. Введение.
1. Классификация 2. Принцип действия 3. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении.
4. Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики светодиодов.
5. Выбор и описание работы типовой схемы включения
6. Расчёт элементов выбранной схемы.
Заключение.
Библиографический список.
Приложение.
Дата выдачи задания 10 сентября 2012 г.
Руководитель проекта_________________Шкаев А.Г.
Задание принято к исполнению 10 сентября 2012 г.
Студент группы РЭБ-310 _________________ Васильев В.Ф.
Аннотация
В данной курсовой работе рассмотрены принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковый лазер - твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник.
Курсовая работа выполнена на листах формата А4, в количестве 17 стр. Содержит 6 рисунков и 1 таблицу. Содержание
Введение
1. Классификация 2. Принцип действия
3. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении
4. Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики 5. Выбор и описание работы типовой схемы включения
6. Расчёт элементов выбранной схемы
7. Заключение
8. Библиографический список
9. Приложение
Введение
В данной курсовой работе будет рассмотрен принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров.
Термин "лазер" появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, так широко он вошел в обиход. Появление лазеров одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.
Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения
Впервые генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г. советскими физиками А.М. Прохоровым и Н.Г. Басовым и американским физиком Ч.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.
Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан Т.Мейманом (США) в 1960 г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы "LightAmplificationbystimulatedemissionofradiation" (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора - лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Год спустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот - США). А ещё через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.
Главная причина стремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительных свойствах этих приборов.
Уникальные свойства лазера:
монохроматичность (строгая одноцветность),
высокая когерентность (согласованность колебаний),
острая направленность светового излучения.
Существует несколько видов лазеров:
полупроводниковые
твердотельные
газовые
рубиновые
1. Классификация
Лазеры на двойной гетероструктуре
В этих устройствах, слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой, а устройство - "диод с двойной гетероструктурой" (ДГС). В англоязычной литературе используются названия "double heterostructure laser" или "DH laser". Описанная в начале статьи конструкция называется "диод на гомопереходе" как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.
Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок ("активная область") заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление - не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.
Диод с квантовыми ямами
Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.
Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием
Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем - невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием ("separate confinement heterostructure", SCH)
Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.
Лазеры с распределённой обратной связью
Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры - основа современных оптических телекоммуникационных систем.
VCSEL
VCSEL - "Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором" - полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.
VECSEL
VECSEL - "Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором". Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой. [1]
2. Принцип действия
Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются "вблизи" (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.
Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.
Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. "multi-mode"). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.
Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.
В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.
В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов - изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям. [1]
3. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении
Когда прямое смещение на p-n переходе достаточно велико, чтобы позволить электро-
нам распространяться по зоне проводимости (или дыркам по валентной зоне), имеет место инжекционный характер протекания тока (см. рис 1). Рис. 1: Зонная диаграмма p-n перехода: а) без смещения, б) при положительном смещении.
С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом - n-GaAs-pGe, p-GaAs-nAlxGa1-xAs; c двумя гетеропереходами - n-AlxGa1-xAs - p-GaAs - p+-AlxGa1-xAs. Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток. Схематично одна из типичных конструкций такого лазера с двойным гетеропереходом изображена на рисунке 1. В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока. В области гетероперехода возникает волноводный эффект, и излучение лазера происходит в плоскости, параллельной гетеропереходу. [2]
Рис.1
Зонная диаграмма (а, б, в) и структура (г) полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе а) чередование слоев в лазерной двойной n-p-p+ гетероструктуре; б) зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом напряжении; в) зонная диаграмма лазерной двойной гетероструктуры в активном режиме генерации лазерного излучения; г) приборная реализация лазерного диода Al0,3Ga0,7As (p) - GaAs (p) и GaAs (n) - Al0,3Ga0,7As (n), активная область - слой из GaAs (n) [2, 54] Активная область представляет собой слой n-GaAs толщиной всего 0,1-0,3 мкм. В такой структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка (~ 103 А/см2) по сравнению с устройством на гомопереходе. В результате чего лазер получил возможность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит из-за того, что оптические и энергетические характеристики слоев, участвующих в переходах таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки эффективно удерживаются только в активной области; лазерный пучок сосредоточен также только в активной области, где и происходит его основное усиление и распространение; лазерный пучок не испытывает по этим причинам поглощения в областях, соседних с активной. Длина волны излучения такого лазера (l = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в кото-ром оптический волоконный кварц имеет минимум потерь. В настоящее время разработаны и широко внедряются лазеры на материалах GaAs с присадками In, P и др. с l = 1,3 и 1,6 мкм, также попадающие в окна прозрачности оптического кварца. Уменьшением ширины полоски лазеров с полосковой геометрией удалось довести пороговый ток до 50 мА, КПД до 60% (величина, рекордная для всех видов существующих в настоящее время лазеров). [3]
4. Аналитическое и графическое представление ВАХ
Устройство, состоящее из p-n-перехода, называется полупроводниковым диодом. Диод пропускает ток в одном направлении, но не пропускает в другом (Рис. 2). У диода есть 2 электрода: анод - вывод, соединённый с р-областью и катод - вывод, соединённый с n-областью.
Рис. 2
На рисунке 3 изображена вольт-амперная характеристика диода. Если прямое напряжение будет очень маленькое, ток не пойдёт, так как p-n-переход представляет собой некоторый барьер, преодолеть который можно, приложив достаточное напряжение. В этом случае ток почти линейно зависит от напряжения. Если приложить обратное напряжение, ток будет отсутствовать или будет очень слабым в широком диапазоне напряжений. Но при некотором значении обратного напряжения наступит пробой p-n-перехода, и ток лавинообразно возрастёт.
Рис. 3. вольт-амперная характеристика диода
[4]
5. Выбор и описание работы типовой схемы включения
ЛПИ-101
Рис. 4. Схема включения ЛПИ-101
Рис 5. Схема подключения ЛПИ-101
R1 - 9,1 кОм R2 - 9,1 кОм
R3 - 200 Ом R4 - 51 Ом
R'ш - шунтирующий резистор, переменная величина индивидуальная для каждого лазера, обеспечивающая заявленную в паспорте выходную мощность лазерного излучения. Указывается в паспорте конкретного лазера с индивидуальным номером. Диапазон R'ш = 0,91 ÷ 100 кОм С1 - 2200 пФ
VD1 - Российский диод КД522Б, либо его аналог.
ЛПИ-101Pи.ср., Вт3αизмер., °40Тизмер., °С25∆Pи.ср./Pи.ср., %≤11τизл., нс≥70Iпотр., мА≤50λизл., нм875±75Fповт., кГц6±0,6τзад., нс1,5Uпит., В20±1Uзап., В20±2τзап., мкс0,8w, мкм450ΔТраб., °С-60÷+60 Примечания.
Pи.ср - средняя мощность импульса излучения. αизмер. - угол, в котором измеряется мощность.
Тизмер. - температура, при которой измеряется мощность.
∆Pи.ср./Pи.ср. - нестабильность мощности, т.е. "дрожание" вершины импульса излучения.
τизл. - длительность импульса излучения.
Iпотр. - ток потребления лазера от источника питания.
λизл. - длина волны излучения.
Fповт. - частота повторения импульсов излучения.
τзад. - длительность фотоответа лазера.
Uпит. - напряжение питания лазера.
Uзап. - амплитуда импульсов запуска.
τзап. - длительность импульса запуска.
W - ширина резонатора лазерного кристалла или размер тела свечения.
ΔТраб. - диапазон рабочих температур [5]
6. Расчет элементов выбранной схемы
Библиографический список
1. Internet: http://ru.wikipedia.org/wiki/
2. Internet: http://www.sgu.ru/files/nodes/78139/laser.pdf
3. Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов. - Москва, 2005. - 492 с
4. Internet: http://plshs.narod.ru/Chapters/002.html
5. Internet: http://lasers.org.ru/forum/threads/
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
213
Размер файла
788 Кб
Теги
оригинал, работа, курсовая
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа