Nghiên cứu sự hoạt Động và Ứng dụng của laser bán dẫn

Chúng ta không thể không kể đến những vai trò quan trọng của kỹ thuật laser trong các lĩnh vực như phẫu hiện không ngừng được phát triển và ngày càng có nhiều chủng lo phong phú,đa dạngr

lỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRUONG DH SU PHAM TP HỒ CHÍ MINH

Giáo viên hướng dẫn _ :THẦY PHAN THANH VÂN

Sinh viên thực hiện _ :NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HẠNH

Niên khóa 1998 - 2002

TP Wa Chi Minh, thing 05/2002

409 CAM ON

Trước tiên em xin chân thành cảm an thay Phan Thanh Vân - Thạc sĩ Vật lý, giảng viên trường Đại học Su phạm Thành phố Hỗ Chỉ Minh đã chân tình hưởng dẫn

và giáp đỡ em hoàn thành bản luận vẫn này

“Nhân đây, em cũng xin gửi lời cắm om vé sự đồng góp ý kiến cũng như sự 100 điều kiện thuận lợi của các quỷ thẫy cô cùng các bạn sinh viên khoa Vật lệ trường kiểu biết thêm về lĩnh vực em đang nghiên cửu

Trong khuôn khổ giới hạn của luận văn, với thời gian nghiên cửu ngẫn ng, trình độ hiểu biết còn hạn chế, do vậy luận văn này cũng không tránh khỏi những nhiều kiến thức Lý thú, mới mẽ và rất bổ ích Trong tương lai, chắc hẳn rằng lascr sẽ côn được ting dung ring rai hon nita va dap tng mọi yêu cầu của khoa học kỹ thut, đem lại nhiều lợi ích phục vụ cho con người

LỜI NÓI ĐẦU

Kể từ khi ra đời năm 1960,với tên LASER-Light amplification by

#mulated emission of radiation-có nghĩa là”sự khuếch đại ánh sáng bằng ra:ngành điện tử lượng tử: Từ đó cho đến nay,qua hơn 40 năm,ngành khoa

học này đã và đang được tiếp tục được phát triển và mang lai cho con

người rất nhiều ứng dụng trong thực tế Chúng ta không thể không kể đến những vai trò quan trọng của kỹ thuật laser trong các lĩnh vực như phẫu

hiện không ngừng được phát triển và ngày càng có nhiều chủng lo

phong phú,đa dạngrlaser rắn laser khí laser lồng,laser ion và đặc biệt là laser bán din,

'Với mục tiêu nghiên cứu sự hoạt động và ứng dụng của laser bán dẫn luận văn tốt nghiệp xin được trình bày những vấn dé cơ bản về lý thuyết và ứng dụng của laser đặc biệt là laser bán dẫn Chung I:TỔNG QUAN

+Trước hết xin trình bày sơ lược về nguồn gốc và sự phát triển của laser.sau đó là nguyên lý vận hành của laser với những khái niệm mới như: sự nghịch đảo dân số bơm quang học,môi trường hoạt tính Hai loại đầu lòng của kĩ thuật laser

+Sau nữa ,ở phẩn này luận văn xin được giới thiệu một cách tổng quát

về diode phát quang.cũng có thể xem là một tong những loại laser bán cdẫn Đây là linh kiện không thể thiếu trong mạng truyền dẫn thông tin bằng sợi cáp quang cùng với điode laser

+Phần cuối của chương I là một vài đồng giới thiệu vẻ mạng truyền thông tin bằng sợi cáp quang.Trải qua một thời gian dài từ khi con người

sử dụng ánh sáng của lửa để làm phương tiện thông tin,lịch sử của thông tin quang đã qua nhiều bước phát triển và hoàn thiện.Và cho đến nay,với thông tin khổng lổ tín hiệu tiếng hay tín hiệu hình hay số liệu có thể

truyền đi một cách nhanh chóng từ nơi này đến nơi khác chỉ bằng một mạng sợi quang học với những bó sợi thủy tinh cực mảnh như những sợi tóc,mang thông tin đến nơi xa bằng những xung ánh sáng laser

#Chương 2:LASER BAN DAN

tính chất của bán dẫn lớp tiếp giáp p-n khi được phân cực thuận ,phân cực ngược Dưới tác dụng của dòng điện kích thích tại lớp tiếp xúc này sẽ xảy

ta sự tái hợp các eleeon và lỗ trống và do đó phát ra tia laser.Hiện nay

đã có khá nhiều loại điode laser ra đời và được sản xuất với quy mô công sợi cấp quang

€Chương3:LASER BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG

Để thấy được tẩm quan trọng của laser bán đẫn,đặc biệt là diode laser

va diode phát quang,phẩn cuối của luận văn sẽ trình bày 3 ứng dụng quan trọng nhất của laser bán dẫn trong thực tế:

> Laser bán dẫn và hệ đầu dọc đĩa CD bằng tia laser

> Diode laser và điode phát quang trong hệ thống thông tin bằng sợi cấp quang

> Laser và kĩ thuật toàn hình holography

Nguyên tắc hoạt động của tỉa laser trong các máy hat compact dise.qué

trình lưu trữ thông tin trên đĩa CD,sự truyền thông tin bằng tia sáng laser,kĩ

thuật holography với hình ảnh được tạo ra trong không gian 3 chiều tất cả những nội dung này sẽ được trình bày một cách sâu sắc hơn rõ rang hơn trong phan cuối của bản luận văn này

'Với những thành tựu đã đạt được trong hơn bốn mươi năm phát triển laser đã thật sự trở thành"cộng tác viên " đấc lực cho các bác sĩ,kĩ

sư,các nhà vật lí,hoá học,sinh vật học, và có lẽ là của chính mỗi chúng

ta trong một tương lai không xa

Hy vọng rằng với một số các kiến thức và thông tin được tình bày trong luận văn sẽ đem lại nhiều hấp dẫn và cuốn hút đối với mỗi

chúng ta vì những khả năng kỳ điệu mà chỉ có tỉa laser mới có thể làm

được

Cuối cùng.em xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thấy cô giáo và các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành bản luận văn này

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Phương Hạnh

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

CHUONG I: TONG QUAN

1 LASER:

1/ Nguôn gốc và sự phát triển của laser:

Ánh sáng đã có từ lâu, khi mọi sinh vật chưa có trên trái đất này Thế giới ánh sắng rất bao la và huyển diệu Đó là ánh sáng của Mặt ười và các vì sao, của ngọn lửa, của ánh đèn, nh sáng đã đem lại sự sống cho loài người Vay con người đã quan tâm, nghiên cứu về ánh sáng từ khi nào? Từ thế kỷ thứ XIV trước Công nguyên, người ta bất đầu tranh luận về ánh sáng, tìm hiểu nguồn gốc của ánh sáng

Bản chất ánh sáng là gì? Điểu đó chưa ai biết cả Về sau Newton mới hình dung ra ánh sáng là các hạt nhỗ li đập vào mọi vật, phẫn xạ lại từ các vật và do khái niệm sóng điện từ của ánh sáng Lý thuyết mới mẻ này đã làm chấn động dư luận trong giới khoa học lúc bấy gi

Năm 1900, M Planck phát hiện tính chất lượng tử của ánh sáng Năm 1905, nhà bác hoc Einstein đã dựa trên tính chất này và đưa ra mô hình “photon” của ánh ngày nay, đứng trên quan điểm vật lý hiện đại hạt photon là hạt lượng tử, vừa có tính chất hạt, vừa có tính chất sóng

Đến năm 1917, A Einstein đã nêu ra rằng: đối với các photon tổn tại một sự bức xạ cảm ứng, các photon rong một điểu kiện nào đó có thể kích thích các

photon thứ cấp giống y như vậy Các photon thứ cấp sẽ cùng pha với các photon ban

đầu Như vậy, trong vật chất có thể xuất hiện quá trình nhân photon va bức xạ ra

cả các loại laser sau này

'Việc phát minh ra laser bất nguồn từ các cố gắng của các nhà khoa học muốn tim ra cách sin xuất các luỗng sống vô tuyển có bước sóng cực ngắn Trong kỹ thì phải có các máy phát sóng có kích thước nhỏ Để giải quyết khó khăn này, người

ra ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng ngắn Tuy nhiên, sự phát ánh sáng của các

nguyên tử, phân tử là hoàn toàn ngẫu nhiên, không điều khiển được Vấn để là cẩn

một nguồn phát ra ánh sắng có cùng bước sóng, cùng pha và cùng tính phân cực

Quá tình giải quyết vẫn để này đã đưa đến sự phát minh ra MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - tgi đại học Năng điện từ bằng bức xạ kích thích, được phát minh bởi hai nhà bác học người Liên Xô (€ữ): Prokhorop và Basov tại viện khoa học Liên Xô và nhà vật lý người Mỹ: C

“Townes tại đại học Colombia (cùng được giải thưởng Nobel năm 1964)

- Tháng 02/1960, Theodore Maiman ở công ty Hugest Aircraft dùng tính thể ruby trong vige ché tạo máy phát laser đầu tiên trên thế giới

~ Năm 1961-1965: các loại laser lẫn lượt ra đời, tong đó đáng chú ý nhất là laser bán dẫn (được phát minh tại phòng thí nghiệm Lincoln - Mỹ) và laser carbon dioxide (due phát mình tại phòng thí nghiệm Bell - Mỹ)

- Từ năm 1968 đến nay, laser đã và đang đem lại nhiễu ứng dụng quan trọng trong cuộc sống, trên tất cả mọi lĩnh vực, các ngành khoa học, công nghệ và y tế Như vậy, không còn bàn cãi mà có thể khẳng định laser là một trong những phát mình lớn của thế kj XX Nhiều chủng loại và ứng dụng của laser đã và đang đại học, các ngành công nghiệp trên thế giới

2/ Nguyên lý hoạt động của laser:

Laser là từ viết tất của cụm tit “Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation", có nghĩa là sự khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng Vì vậy bức xạ cảm ứng chính là nguyên lý hoạt động của laser:

Sau đây, ta sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động này

2.1/ Sự nghịch đảo dân số:

- Các phân tử, nguyên tử hoặc các chất bán dẫn khi nhận một năng lượng thích hợp sẽ chuyển từ trạng thái bến nhảy lên trạng thái kích thích có mức năng lượng dưỡi dạng ánh sáng tức phát ra photon Quá trình này gọi là sự phát xạ ngẫu nhiên

~ Nếu hạt ban đầu ở trạng thái kích thích nhận thêm năng lượng và rơi vẻ trang thái cơ bản phát ra bức xa gọi là hiện tượng phát xạ kích thích Đây chính là nguyên lý hoạt động của laser

- Giả sử ban đầu nguyên tử ở trang thái cơ bản E, Khi ta kích thích nguyên tử bằng 1 photon có năng lượng hu= E; - E, thì các hạt sẽ nhảy lên mức kích thích E; (hình b)

Sanh uến trực hiện: Nguyễn Thị Phương Hạnh Trang2

+ Số hạt nhây từ mức Bạ lên mức E; trong khoảng thời gian t ~> t+ét là:

dn, = Ban pdt

Với: B: xác suất hấp thụ

,p: mật độ năng lượng kích thích

day <0 do d6 biểu thức có đấu "

+ Số hạt ngẫu nhiên rới vé mức cơ bản trong cùng thời gian trên là: n= Any dt

‘Voi A: xác suất phát xạ ngẫu nhiên

¬+ Số hạt phát xạ kích thích trong cũng khoảng thời gian trên

-đn; =B.nsp.dt

Voi: B: xác suất phát xạ kích thích (giả thiết bằng xác suất hấp thụ)

+ Khi hệ đạt tới sự cân bằng nhiệt động lực học, số hạt đi lên mức E; phải bằng với số hạt rơi về mức cơ bin:

-Nhứ vậy, ta có có nhận xét rằng số hạt ở mức năng lượng kích thích E; luôn

ít hơn số hạt ở mức năng lượng cơ bản E,

* Tóm lai: Khi ta chiếu vào hệ 1 chùm tỉa sáng kích thích có năng lượng photon là hu thi trong một thời gian dt sẽ làm cho một số hạt từ trạng thái cơ bản E, E; tự phat roi trd vé E, và phát ra ánh sáng Một số hạt khác bị đụng với photon

kích thích cũng rơi trở về E; (sự phát xạ ngẫu nhiên và sự phát xạ kích động)

- Nhưng ta luôn có: ny< mị, đo đồ các photon kích thích hu gap các hạt ở mức E¡ nhiễu hơn gặp các hạt ở mức Ea, nghĩa là hiện tượng hấp thụ mạnh hơn hiện tượng phat xa ánh sáng

G diéu kign bình thường, khi đi qua một môi trường vật chất, bao giờ ánh sáng cũng

bị yếu đi Cưông độ ah vế

Mite nts tne i04)

Sø đỗ mức năng lượng và quá trình chuyển mức:

(a): Phat xa ngẫu nhiền

(b) : Sự hấp thụ

(©) + Phát xạ kích thích

~ Khi 1 photon tới có năng lượng hu gặp 1 hạt ở trạng thái kích thích, làm hạt này rơi về trang thái cơ bản và phát ra 1 photon mdi Photon mới nay hoàn toàn giếng với pholon tới:

~ Muốn chùm ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất mạnh lên hay muốn có tủa laser thì hiện tượng phát xạ ánh sáng phải chiếm ưu thế hơn sơ với hiện tượng lượng thấp, trang thái này được goi là "Sự nghịch đảo dân số” Quá trình tạo ra sự nghịch đảo dân số gọi là "bơm quang học”

—=._ ==

2.2/ Higu ứng Laser - Bom quang học:

= Nói một cách chính xác, bơm quang học là quá trình kích thích các nguyên

tử hay phân tử Quá trình này có thể được thực hiện bằng cách: chiếu nguồn ánh sing hoặc nguồn điện sẽ đẩy các hạt trong các nguyên tử lên mức năng lượng kích thích

3.3/ Môi trường hoạt tính - Buồng công hưởng:

~ Môi trường hoạt tính là nguồn phát ra ánh sáng, nó đóng vai trò quan trọng nhất trong laser Môi trường hoạt tính có thể ở đạng rấn (như ruby, thạch anh) hay hoặc là một chất bán dẫn

“Tây theo bước sóng ánh sáng mong muốn phát từ laser mà ta có các cách chọn môi trường hoạt tính khác nhau

- Để đạt được hiệu ứng laser có hiệu quả, người ta còn bố trí một bộ phân gồm 2 gương đối diện nhau ở 2 đầu môi trường hoạt tính, gọi là buồng công hưởng định hưởng chùm tia laser khi nó phóng ra khỏi màn Một trong 2 gương là gương nên chùm tia laser

+ Các photon di chuyển thẳng góc với 2 gương sẽ dội đi, dội lại nhiều lấn trong môi trường hoạt tính Như vậy, bung cộng hưởng đóng vai trò như ] các bẫy các hạt ở trạng thái kích thích, làm giải phóng các photon khác Các photon nay lai photon mới Quá trình như thế cứ tiếp diễn và cường độ ánh sáng tăng lên rất mạnh

2 B KGUYEX LÝ HOAY ĐÓNG CỬA LASfB

- Với laser hồng ngọc tdo(rubi), bể rộng của vạch : 6943A”, hẹp khoảng 10 lin so với bể rộng phổ cña vạch này trong trường hợp phát xạ ngẫu nhiên thông thường

/ Tính điều hợp:

~ Với một nguồn sáng thông thường ánh sáng phát ra bởi các hạt là ánh sáng không điều hợp với nhau, tức là không có liên hệ với nhau về pha Đổi với nguồn sáng laser, các photon phát ra đều đồng pha nên ánh sing laser là ï chùm ánh sáng điều hợp

©/ Tỉnh song song:

- Chim tia laser phát ra song song với trục với góc lệch rất nhỏ Năm 1962,

mot chim tia laser được chiếu lên mặt trăng có gó lệch khoảng 3.10” rad

3.5 Môt số ứng dụng của laser:

- Ra đời những năm 1960 cho đến nay, nhiễu loại laser được ra đời và dem lại nhiều ứng dụng cho cuộc sống con người Đó là các loại laser rin (ruby, xanh, laser tỉa cực tím hay laser tia X, với nhiều ứng dụng trong hấu hết các lĩnh

we

~ Hang nim, ing dung của laser đem lại nhiều khoảng lợi nhuận khổng lỗ trong công nghiệp Sự phong phú của các loại laser tiếp tục gia tăng trong các chương trình nghiền cứu tại các trường đại học, các phòng thí nghiệm

+ Ứng dung của laser:

~ _ Trong công nghiệp:

+ Kiểm tra chất lượng sản phẩm

-+ Hàn, khoan và cất bất cứ vật gì từ giấy, vải vóc cho đến kim cương

+ Trong quân sự: đó là các đại bác laser, laser điều khiển đường bay của bom, tên lửa hay đạn pháo binh, ứng dung laser trong không quân

‘© Trong nghién citithoa hoc:

+ Laser ở xung lượng cực ngắn cho phép phân tích một phản ứng hóa học xây ra như thế nào Trong vật lý nguyên tử và phân tử, ánh sáng laser cho

tử

+ Laser là công cụ thí nghiệm đạt độ chính xác cao khi kiểm chứng thuyết tương đối hẹp của Einstein: Anh sing truyển với vận tốc không đổi và không phụ thuộc vào sự chuyển động của nguồn phát sóng hay máy thu

‘Thong tin liên lạc: đó là định vị vệ tỉnh nhân tạo bằng laser, laser trong,

hệ thống điều khiển máy bay cất cánh, hạ cánh Năm 1968, NASA đã phóng vệ tỉnh nhân tạo đầu tiên được trang bị với một máy đò bằng ta laser Một ứng dụng quan trọng nhất của laser hiện nay đó là sử dụng dùng làm nguồn phát ánh sáng tong hệ thống thông tỉn bằng sợi cấp qua

« Trong các lĩnh vực khác: Laser với hệ thống ddu doc dia CD, doc ma vạch trong hệ thống máy tính tiễn ở các siêu thị, cửa hàng ; laser trong kỹ thuật

in vi tinh, trong kỹ thuật đọc và ghỉ dữ liệu trên các đĩa quang học

KJ thuật toàn hình cho phép tạo hình ảnh thật trong không gian 3 chiều, đặc biệt được sit dung có hiệu quả trong việc chống giả mạo các thể tín dụng

ca oe

* Kếi luân: Mặc dù mới được ra đời vào những năm 60 của thế kỷ XX, nhưng cho đến nay laser đã và dang mang lại rất nhiều ứng dụng quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực: công nghiệp, y học, quân sự, thông tin liên lạc Như vậy, một lần nữa có thể khẳng định chắc chấn rằng laser là một trong những phat minh vi dai của con người tong thế kỷ XX

2.6/ Phan loai Laser:

~ Có nhiều cách để phân loại laser, thông thường người ta phân loại dựa trên

Ýtcấu tạo nên môi trường hoại tính Có thể chia làm 3 loại chính:

- Laser rắn đầu tiên trên thế giới được Theodore H Maiman chế tạo năm

1960 có môi trường hoạt tính là tỉnh thể hổng ngọc nhân tạo

= Tinh thé ruby gdm Oxid nhôm (Al;O,) trộn với một lượng nhỏ CF từ 0,03%

én 0,05% Chính các ion CP* nay d6ng vai trò hoạt tính

‘Thanh hổng ngọc có dạng hình trụ dài từ 3 đến 20em, đường kính từ 0,4:2em Hai đầu tính thể ruby được đánh bóng rất kỹ (thay thế 2 gương phẳng)

quang học Đèn có dang hình xoắn bao quanh tỉnh thể ruby

‘Den Xénon

LASER HONG NGOC

- Đèn Xênon phát ra ánh sáng có cường độ rất mạnh, rọi vào thanh hồng ngọc trong một thời gian ngắn, biển thanh hồng ngọc thành môi trường hoạt tính

Cac photon do dén phat ra tới thẳng góc với thanh hồng ngọc Các ion Cr`* hấp thụ

Sih ven uc Mện: Nguyễn Thị Phương Hạnh, Trang

ánh sáng trong vũng vàng lục của đèn chiếu tới, nhảy từ mức năng lượng cơ bản E, C+* rơi xuống mức năng lượng E; có đời sống dài hơn Khi đó, số hạt ở mức E; lớn hơn số hạt ở mức E:,

+ Khi bị kích thích, các ion Cr”" tir Ey roi về mức cơ bản E, và phát ra ánh

sing đỏ bude sng A = 6943A" Céc photon nay di chuyển song song với trục của laser bắn ra ngoài

eg Trang Bái có đời sống,

| Lan Aah ng tae

80003 MUC NANG LUONG GUA LASER nONG HOGG

~ Ngày nay, người ta có thể chế tạo được những thanh hổng ngọc dài đến

‘Oem với đường kính: 15:20mm, có chất lượng tốt, đáp ứng nhu cầu kỹ thuật laser

~ Ngoài hổng ngọc ra, người ta còn sử dụng một số môi trường hoạt tinh rin khác như các hợp chất thủy tỉnh và thạch anh

- Laser rắn có kích thước nhỏ, gọn nên được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: vô tuyến truyền hình, y tế, quân sự, công nghiệp uy nhiên, laser rắn có hiệu suất thấp chỉ 5% ~ 7%

- Trong các loại laser rấn thì laser bán dẫn được chú ý nhiều nhất Môi trường hoạt tính của chúng là các chất bán dẫn loại N hay loại P (Ge, Si, AS, ) Loai laser

bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác, từ 70% -> 100%

"Ngoài ra, loại laser bán dẫn còn có đặc điểm là dé điều khiển, công suất bức xạ đễ

mà laser bán dẫn có một tẩm quan trọng đặc biệt, nhất là tong lĩnh vực truyền thông, thông tin và v6 tuyến truyền hình

Ứng dụng đáng chú ý nhất của laser bán dẫn là được sử dụng trong các đầu

đọc đĩa CD và hệ thống thông in hằng sợi cáp quang

b/ Laser kit

~ Laser khí đầu tiên được Tavan A Benneti W.R và Heriot D.R chế tạo vào năm 1960, là loại laser He-Ne Đây là loại laser khí được dùng rộng rãi nhất hiện nay và đã được sẵn xuất với quy mô công nghiệp

Ưu điểm của laser khí là tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho viếc sử dụng chúng ở chế độ liên tục Tuy nhiên, công suất chỉ đạt khoảng, 20%

- Mỗi trường hoạt tính của laser khí là các chất khí hay hỗn bợp khí khác nhau, thông dụng nhất là hỗn hợp khí He-Ne, CO; Ngoài ra, còn có các loại laser khí khác như laser ion, laser phân tử,

- Loại khí thông dụng nhất là He-Ne

_- x

~ Quá trình bơm được thực hiện bằng cách cho phóng điện qua hỗn hợp khí He-Ne Khi nhận được năng lượng kích thích, nguyên tử He chuyển lên mức năng năng lượng E, trong nguyên tử He lại gần mức năng lượng E; của nguyên tử Ne Do nguyên tử Ne ở mức năng lượng E; khi va chạm với nhau Như vậy, mức năng lượng ceung cấp kích thích thường xuyên của nguyên tử He

“Sinh in thực hiện: Nguyễn Thị Phương Hạnh ‘Trang 10

+ Ne ở mức năng lượng kich thich Ey nhiy xuống mức E; và phát ra ánh sáng

có bước sóng 6328 A”,

+ VI số hạt ở mức E; nhỏ nên sự đảo ngược dân số rất dễ dàng thực hiện và

sự phát xạ chỉ đòi hỏi một thểm năng lượng tương đối nh so với trường hợp Laser Ruby

50.80 MUC NANG LƯỢNG LASE KHÍ He- Me

~ Công suất bức xạ của laser khí He-Ne phụ thuộc rất nhiều vào áp suất của hỗn hợp khí, áp suất riêng phần và đường kinh ống phóng

+ Ấp suất hỗn hợp khí tối ưu với công suất bức xạ cực đại vào khoảng ImmHg

hạt điện tích ra thành ống nên bán kính nhỏ của elip sẽ có nhiệm vụ tăng thể tích hoạt chất Tỷ lê được chọn giữa 2 bán trục của elip thường khoảng 1 + 4

~ Các loại laser He-Ne hiện nay được sử dụng khá rộng rãi, công suất bức xạ tùy thuộc vào độ dài của các bước sóng

+ Vdi A = 1.15pm va À = 0,63m thì công suất đạt khoảng vài chục mW,

+ Với A = 3,39m thì công suất có thể đạt khodng vai trim mW

IV DIODE PHÁT QUANG:

~ Nguyên lý hoạt động của các diode phát quang dựa trên sự tái hợp bức xạ

tự phát xảy ra trong lớp chuyển tiếp p-n Bức xạ tự phát xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, không phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng của bức xạ từ bên ngoài

1/ Nguyên lý hoạt dong ciia diode phat quang:

- Các e ở lân cận cực tiểu miễn dẫn sau 1 thời gian tổn tại ở đây có thể chuyển xuống một trang thái trống rong miễn hoá tị và bức xạ 1 photon Quá trình

chuyển mức này chỉ có thể xảy ra khi trạng thái mà e chuyển xuống trong miễn hóa

trị là trống tuân theo định luật bảo toàn vecteur sóng và định luật bảo toàn năng

lượng Đây là quá trình tái hợp bức xạ tự phát hay bức xa tự phát Bức xạ này hoàn mức tấi hợp có thể xảy ra theo cơ chế chuyển mức thẳng và cơ chế chuyển mức

thẳng, xiên đều vô cùng nhỗ Vì vậy, thông thường người ta chỉ sử dụng các bán dẫn

có miễn cẩm thẳng như GaAs (hình vẽ)

Đổi với các bán dẫn thuần ở nhiệt độ thấp, có rất íLe' ở miễn dẫn và rất ít

lỗ trống ở miễn hóa trị nên quá trình chuyển mức của c từ miễn dẫn xuống miễn

hóa trị có xác suất nhỏ và các photon bức xạ thường bị hấp thụ ở lại Vì vậy, ở trang thái cân bằng, quá trình tái hợp bức xạ hầu như không xây ra

~ Muốn cho chất bán dẫn bức xa, ta phải tìm cách đưa bán dẫn ra khổi trạng thái cân bằng, tức mật độ e” ở miễn dẫn và lỗ tống ở miễn hóa trị vượt giá tị cân bằng của chúng Quá trình này được gọi là quá trình bơm quang học

~ Bằng cách chiếu sáng mẫu với ánh sáng có năng lượng hv lớn hơn bẻ rộng

miễn cấm ta sẽ kích thích chuyỂn mức e từ miễn hóa tị lên miễn dẫn Khi đó sẽ có

xố lượng lớn lỗ trống chiếm trạng thái ở đỉnh của miễn hóa tr

R3 A sim, sô

[es s008 weno 1g00

mont adn kw tion dc

~ Khi đặt lên lớp chuyển tiếp p - n một đáp thuận, hàng rào thế năng bị hạ

thấp xuống e được phun từ phẩn n đến phẫn p và lỗ trống được phun từ phần p đến phần n Tái hợp bức xạ được tăng cường

u=0 Ượo THẦN bổ v4 Lổ TIẾN ThONG CHUYỂN TP; + (CAN DAWG (U-0} v4 KIM CO DAP THUAN (

Sự tái hp bite xảy ra trong lớp chuyển tiếp p - n là nguyên lý hoạt động

của các diode phát quang

2⁄ Phân loại và cấu tạo:

~ Hiện nay, người ta thường dùng chủ yếu 2 loại bán dẫn trong các hệ thống

thông tin cáp sợi quang là

+§LED phát xạ mặt (Surface Light Emitting Diode) +ELED phát xạ cạnh _ (Edge Light Emitting Diode)

LoaiLep | TỂnSốđiểu chếlớn | Côngsuất phát | Cong suất phối ghép

thấy ELED tựu việt hơn SLED về hiệu suất phối ghép

Do đó, SLED chủ yếu được sử dụng trong tuyến thông tin cự ly ngắn và có

tốc độ thấp, ELED chủ yếu được sử dụng trong tuyến thông tin có cự ly trung bình

(đối với tuyến cự ly xa, người ta sử dụng điode laser),

3.1/LED phát xa mẫu:

~ Thông thường gồm 3 loại:

+ LED tigp xtic mat GaAs,

“TIẾT puta QUANG CUA LED PHẤT XA MÁT,

~ Diode đị thể kép được hình thành trên nền 1 chất bán dẫn loại N, ở phía trên của diode có khoét 1 lỗ tròn Ánh sáng được tạo ra ở vùng hoạt tính đi

WgKưc cóc hase đáng 0b ing dong a Laser babe các

qua ct

* nến và đi vào lõi sợi quang đặt trong lỗ Đáy của SLED là một bộ phận hạt nhiệt bằng vàng, tiếp xúc với diode bởi một khối tròn nhỏ, phẩn còn lại được cách chạy qua lỗ của lớp cách điện Dòng điện xuyên qua lớp bán dẫn loại P hình thành 3000A/cm' Vì vay tạo nên I chùm sáng tập trung có cường độ mạnh

- Chỉ số chiết suất thay đổi qua các tiếp giáp dị thể làm cho 1 phần ánh sáng phát xạ quay về vùng hoạt tính, phan ánh sáng này có thể được hấp thụ hay đưa ra

sợi quang Vì thế, trong thực tế, ánh sáng ghép vào sợi quang ít hơn lượng ánh sáng

ma led phat ra,

- Để tăng công suất ghép, trên bể mặt của Sled, người ta thường khoét lỗ để đưa sợi quang vào gẫn ving phát sáng hoặc dùng lớp nên InP có dang 1 thấu kính

để ghép ánh sáng vào sợi quang

~ Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kín mặt trên và mặt đáy của elde

dó đó ánh sáng không thể phát ra ở 2 mặt mà bị giữ lại trong vũng tích cực có dạng

vạch hẹp, Lớp tích cực rất mỏng bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa 2 lớp P và

phát sáng nhỏ nên hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao trong hệ thống thông

tín bằng sợi quang

Cấu trúc điển hình của eled được mô tả như hình vẽ:

‘Soh vien thưc hiên: Nguuễn Thí Phương Hạnh

~ Đòng điện hoạt động tiêu biểu S5OmA — 300mA_

Dign dp syt tn led 15V>2,5V

ed (ght am mk

Bed (phd ng canh)

“GỚC PHÁT QUANG CUA SLED vt

3.4/ Đô rông phổ:

~ Sự phát xạ ánh sáng do địch chuyển ngẫu nhiên của các điện tử qua các dải

cấm gọi là phát xạ tự phát Trong thực tế dải dẫn và dải hóa tị có rất nhiều mức

năng lượng khác nên sự tái hợp của các hạt cũng có nhiều mức năng lượng khác

nhau Như vậy, các bước sóng bức xạ sẽ trải rộng ra và có dạng hình chuông cou ne, —

Bd RONG PHS CUA LED

- Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ

'hơn 14 mức công suất đỉnh

= BO rộng phổ của led: từ 35 ~› 300mm

TIL TRUYEN DAN SOI QUANG:

* Giới thiêu tổng quát về truyền dẫn sợi quang:

~ Các mạng thông tin hiện đại điển hình gồm các nút mạng, với những thiết bị

chuyển mạch các cấp và các kênh liên kết giữa các nút mạng được tổ chức nhờ các

hệ thống truyền dẫn trên các môi trường truyền dẫn khác nhau như: cáp đối xứng,

cáp đồng trục, sóng vô tuyến điện sóng viba Nhu cẩu thông tin ngày càng đòi hỏi

xố lượng kênh truyền dẫn rất lớn nhưng các hệ thống truyền dẫn này không cho Gbitis

- Việc tuyển dẫn và xử lý thông tin bằng quang học đã được đặt ra từ những năm 60 của thế kỷ XX, khi mới bất đầu nhận được những nguồn sáng đồng bộ ổn định hằng laser

~ Ngày nay, sơi quang đã được sử dụng rộng rãi thay cho đây kim loại trong viễn thông, nhầm tạo ra các hệ truyền tải dẫn rộng và nghiên cứu chuyển tữ lĩnh vực chuyển mạch điện tử sang chuyển mạch quang,

- So với các hệ truyền dẫn cổ điển, phương pháp truyền dẫn hằng sợi quang thay cho dây kim loại có rất nhiều ưu điểm sau:

+ Vật liêu chế tạo từ thủy tỉnh có nhiều trong thiên nhiên + Suyhao thấp: cho phép kéo đài khoảng cách tiếp vận và do đó giảm được

số trạm tiếp vận

+ Dili thông rông: cho phép tăng số kênh truyền dẫn lớn + Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ; dễ lấp đặt (có thể uốn cong), chiếm ít

+ Hoàn toàn cách điện: không chịu ảnh hưởng của sấm sết

+ Không bị nhiễu bởi trường điện từ: vẫn hoạt động trong vùng có nhiễu điện

SỨ ĐỒ KHỔI 1 TUYỂN TRUYỀN ĐẪN,

~ Tuyến truyền dẫn sợi quang gồm 2 thành phẩn chính:

+ Thiếtbi phát gồm:

‘© Mach kich thich: mach điện cung cấp dòng điện kích thích cho nguồn quang khi nhận được tín hiệu điện Tín hiệu điện có thể ở dang analog hoặc digital

+ _ Mach phục hồi: qua đường truyền, biên đô tín hiệu sẽ bị suy giảm đang tín hiệu bị méo mồ đi do độ tấn sắc của sợi quang, do đó mạch phục hổi sẽ có tác dụng khôi phục lại xung và định lại thời gian nhịp quang

Hình vẽ dưỡi đây cho ta 1 ví đụ đơn giản về truyền dẫn sợi quang

CHƯƠNG II: LASER BẢN DAN

1 CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHAT BAN DAN:

- Tính thể bán dẫn là những tỉnh thể mà vễ mặt cấu trúc năng lượng có l vũng hóa trị bị chiếm đẩy Ey và trên nó là 1 vùng tống (goi là vùng dẫn E,) Vùng nầm giữa Ec và Ey gọi là vùng cấm với mức năng lượng E,

- Xét về mặt dẫn điện, bán dẫn có giá trị điện trở suất trung gian giữa kim loại và điện mỗi (khoảng I0*- 105m)

1/ Chất bán dẫn thuần:

~ Ở nhiệt độ thấp, trong tinh thể bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử,

"hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó, bán dẫn là chất không dẫn điện Khi nhiệt độ mạng tỉnh thể tăng lên, một số điện tử được kích thích bởi năng lượng

số mức năng lượng trong đãi dẫn Các điện tử khi địch chuyển lên đãi dẫn đồng thời cũng để lại các lỗ trống tương ứng trong dải hóa ứị Khi có bao nhiều electron mật độ electron din và mật độ lỗ trống trong bán dẫn tỉnh khiết luôn bằng nhau

- Như vậy, quá trình trên đã tạo ra các electon tự do trong vùng dẫn và các

lỗ trống trong vùng hóa trị, tức tạo ra các hat din trong mạng tính thể chất bán dẫn, chúng tạo ra khả năng dẫn điện của bán dẫn

~ Xác suất tìm thấy điện tử tại mức năng lượng E được xác định theo him phân bố Fermifirac:

“Ta có sơ đổ các năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng trong bán dẫn thuần như sau:

tái dễ t "Phân bể điện tổ tự do c— c ch 6 bọ,

—

5S5965655656565 Dai hs tr "| Phan bf i tag

~ Với bán dẫn thuẫn, mức năng lượng Femmi nằm ở giữa đải dẫn và dải hóa

= Từ biểu thức (*), ta nhận thấy khi nhiệt độ T tăng thì xác suất phân bố điện

tử trong đãi dẫn tầng lên Khi nhiệt độ giảm dẫn tối 0 thì xác suất tìm thấy điện tử hầu như bằng 0 Khả năng dẫn điện của bán dẫn được thể hiện theo sơ đổ

= Trong vùng dẫn, nồng độ điện tử tự do được xác định theo biểu thức

im, : Khối lượng hiệu dụng của lỗ ống

~ Như vậy, trong bán dẫn thuẫn, nổng độ hiệu dụng bạt dẫn trong bán dẫn đặc trưng cho ndng d hạt dẫn n và p là:

‘Y Ban din pha tap:

~ Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn người ta pha 1 lượng nhỏ các nguyên tử tạp chất vào mạng tính thể của bán dẫn

¬+ Bán dẫn loại n: nếu nguyên tử tạp chất có nhiều hơn 1 điện tử ở lớp

ngoài cùng so với bán dẫn

2.1/ Bin dẫn tạp chất loại a:

- Giả sử trong mạng tình thể của Ge có mật độ Nạ nguyên tử của Ì nguyên tố

ánh sáng, trong tinh thể sẽ xuất hiện Nạ trạng thái năng lượng AE, định xứ trong

miễn cấm gin diy miễn dẫn

~ Như ta đã biết, mỗi nguyên tử Ge có 4 lectron hóa trị góp vào mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Ge trong mang tinh thé Nếu nguyên tử As thay thế

nguyên tử Ge trong mang thi 4 elecưon hóa trị của As sẽ tham gia vào 4 mối liên

kết với các nguyên tử Ge Electron hóa trị thứ 5 của As liên kết yếu với hạt nhân

của nó, Mức nang Ing co ban Ey cia electron này nằm cách mức năng lượng E,

của đầy miễn dẫn trong miễn cấm 1 khoảng: AE,= 0/01e,

- Như vậy, chỉ cần nung nóng bán dẫn đến nhiệt độ T>0 nào đó, nguyên tử

As sẽ bị lon hóa Elecưon ở lớp ngoài cùng sẽ chuyển từ mức E, lên miễn dẫn và tham gia vào quá tình dẫn điện

- Năng lượng cần thiết để chuyển electron thứ 5 của tạp chất lên miễn dẫn soi là năng lượng ion hóa tạp chất Trong quá trình ion hóa tạp chất các nguyên tử

là tạp chất cho hay tạp chất donor (donor: phan tit cho)

Mức E, gọi là mức donor va bán dẫn chứa tạp chất donor gọi là bán dẫn electron hay bán dẫn loại n

- Nông độ pha tạp của bán dẫn loại n được xác định bởi biểu thức:

- Như vậy, với bán dẫn pha tạp loại n có mức năng lượng Fermi tăng dẫn,

tiến tới gần đầy miễn dẫn khi nổng độ pha tạp Nụ tăng lên Phân bố tập trung điện

tử lỗ trống được thể hiền theo hình vẽ sau

tang lương

Phần bể lập trung hat dda

Như ta đã biết, Ge có hóa trị IV và AI có hóa trị [II nên sẽ chỉ có 3 liên kết

công hóa trị giữa Ge và AI Nguyên tử Ge tong mạng sẽ thiếu I electron dé tao xuất hiện I mối liên kết không bão da, | trang thai trống

- Các kết quả tính toán cho thấy mức năng lượng E, cách đỉnh miễn hóa trị

Ey một khoảng năng lượng AE, = 0,01eV

Tap acerpler và giin đổ nấng lướng tong bán đến lạp chết loại ø

- Khi tăng nhiệt độ lên, các elecưon hóa trị của Ge đễ dàng nhận thêm năng lượng chuyển lên mức tạp chất E, Khi electron lên mức tạp chat E,, cde electron này liên kết với nguyên tử AI và mất khả năng dịch chuyển tự do trong mạng, do đó

không th tham gia vào quá tình dẫn điện, Đồng tới, (ại miễn hóa xuất hiện các

16 trống và chính các lỗ trống này mới quyết định inh din điện của bán dẫn

~ Với bán dẫn tạp chất loại p, AI là nơi thu nhận electron của bán dẫn, do đó

chúng là tạp chất nhận hay tap chất acceptor Mức tạp chất E, gọi là mức nhận hay

loại p vì nó dẫn điện chủ yếu bằng lỗ trống

~ Nông đô pha tạp của bán dẫn loại p (Ñ,) được xác định theo biểu thức:

~ Như vậy, với bán dẫn pha tạp loại p có mức năng lượng Fermi đỉnh dải hóa tị khi nỗng độ pha tap N, tang,

"Phân bố tập trung điện tử lỗ trống được thể hiện theo hình vẽ sau

+ Khi Nu = Na, tất cả các trạng thái acceptor đều bị chiém bai cde electron tit trang thai donor chuyển xuống Khi đó, tất cả tạp chất đều trở thành ion Nụ” và N, Bain dẫn có tính chất như bán dẫn thuẫn nhưng có điện trở suất cao Người ta ứng dụng bán dẫn này để tạo ra các bán dẫn cao Ohm Ví dụ: Sĩ là bán dẫn loại p chứa B (B: tạp chất khó loại bỏ), có điện trở suất thấp Để tạo ra bán tạp chất acceptor B

+ Khi Nụ > N, (hay (Ng <N,), bán dẫn bù trừ 1 phẩn trở thành bán dẫn chứa I loại tạp chất Trong cùng nhiệt độ cao, bán dẫn này trở thành bán dẫn giống như bán dẫn thuần

- So với bán dẫn thuần, mặc dù giống nhau về mật độ hạt dẫn nhưng bần dẫn

bù trừ toàn phẩn có độ linh động kém so với bán dẫn thuần

3 Tiếp giáp P-N:

- Khi cho 2 khối bán dẫn n và loại p tiếp xúc nhau, do có sự khác biệt nhau

về mật độ hạt dẫn nên sẽ có sự khuếch tần của electron từ bán dẫn loại n sang bán cdẫn loại p và sự khếch tấn của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Trong, vữa tới Kết quả là trong bán dẫn loại n, tại vùng gần mặt tiếp xúc sẽ hình thành 1 điện tích dương, chủ yếu là do các ion donor tạo nên Trong bán dẫn loại p tại vùng gần mất tiếp xúc cũng xuất hiện 1 miễn điện tích âm, chủ yếu đo các ion acceptor tạo nên

Nếu mật độ tap chất Nạ = N, trong 2 bán dẫn thì miễn điện tích có độ dày bằng nhau, có tị số điện tích bằng nhau và chúng tạo thành 1 lớp khác thường được bằng được thiết lập, giữa 2 miễn điện tích trái dấu ở 2 phía của lớp chuyển tiếp p-n

Hàng rào thế ọo sẽ cản trở kÍẾch tán của electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và sự kiẾch tán của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n

Giản đổ mô tả năng lượng và sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n được thể hiện theo hình vẽ

Sinh riên thực hiên: Nguuễn Thị Phương Hạnh ‘Trang 26

~ Mật độ hạt dẫn không cơ bản có thể được biểu diễn qua mật độ của hạt dẫn

cơ bản khác loại trong chuyển tiếp p-n:

eu

a 0t

b en Di)

er

3.1/ Tiếp giáp p-n không được phân cực:

- Khi không được phân cực: