Khảo sát học phát xung của Laser bán dẫn InGaAsP InP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LI – CÔNG NGHỆ PHAN MINH TUẤN KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC PHÁT XUNG CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/InP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên nghành: Quang học Mã số : 60.44.01.09 Cán hướng dẫn khoa học: PGS-TS NGUYỄN VĂN PHÚ Vinh 2015 Lêi c¶m ¬n Luận văn hoàn thành môn Quang học - Quang phổ khoa Vật lý & Công nghệ, Trường Đại học Vinh tháng 4/2015 Trong suốt trình kể từ lúc nhận đề tài kết thúc, nhận quan tâm, hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Phú Qua tác giả xin bày tỏ kính trọng lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý & Công nghệ, Phòng Sau đại học Trung tâm thông tin- thư viện Nguyễn Thúc Hào Trường Đại học Vinh tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trình học tập thực luận văn Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Trong trình nghiên cứu trình bày, nỗ lực cố gắng tránh khỏi nhiều thiếu sót Do vậy, mong nhận ý kíến đóng góp quý thầy cô bạn đồng nghiệp để hoàn thiện kết nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Mở đầu Phần kết luận chung nêu số kết mà luận văn đạt Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ LASER BÁN DẪN .5 1 Chất bán dẫn 1.1.1 Khái niệm đặc điểm, tính chất chất bán dẫn 1.1.2 Các loại chất bán dẫn .7 1.1.3 Lớp tiếp xúc p-n 13 1.2 Laser bán dẫn .18 1.2.1 Cấu tạo laser bán dẫn .18 1.2.2 Các phương pháp kích thích laser bán dẫn 20 Kết luận chương I 22 Chương II KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC PHÁT XUNG 23 CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/InP .23 2.1 Hệ phương trình tốc độ .23 2.2 Động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP/InP 25 2.2.1 Các tham số động học laser bán dẫn InGaAsP/InP 25 2.2.2 Sự biến thiên mật độ phần tử tải 26 2.2.3 Khảo sát trình xung laser bán dẫn InGaAsP/InP .29 Kết luận chương II .33 KẾT LUẬN CHUNG 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 Mở đầu Thế kỷ XX chứng kiến phát minh vĩ đại quan trọng bậc loài người, đời laser Laser Ruby chế tạo Maiman vào tháng năm 1964 đưa vào ứng dụng khoa học công nghệ Kể từ đến việc nghiên cứu, chế tạo ứng dụng laser trở nên phổ biến, laser xuất mặt hoạt động khoa học đời sống Hầu hết loại laser từ rắn, lỏng, khí bán dẫn chế tạo mang tính công nghiệp có bước sóng phát nằm miền quang học Trong loại laser, laser bán dẫn với kích thước nhỏ, ngưỡng bơm thấp khả dễ điều chuyển bước sóng đặc trưng phổ, vậy, chế độ hoạt động, điều kiện phát, đặc trưng mode laser bán dẫn có nhiều khác biệt so với loại laser khác chẳng hạn laser rắn hay laser khí Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc, hoạt chất, chế độ hoạt động, chế độ bơm, laser bán dẫn thời điểm mang tính thời Vì luận văn đặt vấn đề: “ Khảo sát động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP/InP” Ngoài phần mở đầu nội dung luận văn trình bày hai chương: Chương Tổng quan chất bán dẫn laser bán dẫn Trong chương này, trình bày tổng quan khái niệm, đặc điểm bật, tính chất đặc trưng loại chất bán dẫn, số phương pháp bơm cho laser bán dẫn Chương Khảo sát động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP/InP Trong chương này, xuất phát từ hệ phương trình tốc độ, sử dụng phương pháp số phần mềm MatLab khảo sát biến thiên mật độ phần tử tải hoạt chất thay đổi đặc trưng xung laser phát thay đổi giá trị dòng điện bơm Phần kết luận chung nêu số kết mà luận văn đạt Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ LASER BÁN DẪN Khi nghiên cứu tính chất vật liệu bán dẫn người ta phát đặc tính hữu ích hoàn toàn khác với vật liệu truyền thống Kể từ tìm thấy nay, chất chất bán dẫn ngày có nhiều ứng dụng khoa học, công nghệ sống Trong công nghệ laser, vật liệu bán dẫn với tiếp giáp p-n sử dụng làm hoạt chất buồng cộng hưởng chế tạo laser bán dẫn 1 Chất bán dẫn 1.1.1 Khái niệm đặc điểm, tính chất chất bán dẫn Chất bán dẫn chất mà điều kiện định trở thành vật dẫn, điều kiện khác trở thành chất điện môi Chất bán dẫn vật liệu trung gian vật dẫn điện môi [1][4] Đặc điểm bật chất bán dẫn điện trở suất giảm nhiệt độ tăng Điện trở suất chất bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất sai hỏng mạng tinh thể chất bán dẫn Mỗi chất bán dẫn có khoảng nhiệt độ giới hạn xác định, nên linh kiện sử dụng chất bán dẫn hoạt động dải nhiệt độ Chất bán dẫn đơn chất (Si, Ge), hợp chất hai hay nhiều nguyên tố (GaAs, GaSb ) Độ dẫn điện chúng nằm khoảng σ =10-8-104 [ Ω cm]-1 Chất bán dẫn vật rắn kết tinh có cấu trúc mạng đơn tinh thể Các nguyên tử cạnh chất bán dẫn liên kết không chặt Nên nhiệt độ T khác 0K, dao động nhiệt nguyên tử làm cho số liên kết bị đứt Khi liên kết bị đứt, điện tử tự tạo có khả dẫn điện ta gọi hạt dẫn điện (electron dẫn) Đồng thời vị trí điện tử trước bứt để lại lỗ trống mang điện tích dương Các điện tử hóa trị liên kết kế cận nhảy vào lỗ trống tham Năng lượng điện tử gia vào trình dẫn điện Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hóa trị Hình 1.1 Giản đồ vùng lượng chất bán dẫn Các chất bán dẫn chất có độ rộng vùng cấm ∆Eg không lớn, thường ∆E < 2,5 eV Khi tăng dần nhiệt độ đến giá trị đủ lớn, có số điện tử nhận lượng lớn lượng vùng cấm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn làm cho chất bán dẫn trở thành vật dẫn Khi nhiệt độ tăng lên, mật độ điện tử vùng dẫn tăng lên, tính dẫn điện chất bán dẫn tăng dần Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào nhiệt độ xác định gần theo biểu thức [1]: ∆Eg = Eg (0) − αT (T + β ) (1.1) Đối với chất bán dẫn tinh khiết đặc trưng Ge, Si hay Ga mật độ electron mật độ lỗ trống có giá trị nhỏ Chỉ cần pha thêm lượng nhỏ nguyên tố khác, ta loại bán dẫn tạp chất với mật độ phần tử tải điện tăng lên nhiều Chúng ta nghiên cứu loại chất bán dẫn mục 1.1.2 Các loại chất bán dẫn Chất bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần) Đối với chất bán dẫn tinh khiết, nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn hoàn toàn điện tử tự do, điện tử hầu hết thuộc vùng hóa trị Do chất bán dẫn tính dẫn điện Nhưng nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên, số điện tử hóa trị bị kích thích lượng nhiệt, lượng đủ lớn để electron vượt qua vùng cấm, chúng chiếm số mức lượng vùng dẫn Hình 1.2 Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ Các điện tử sau dịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời để lại lỗ trống mang điện tương ứng vùng hóa trị Trong mạng tinh thể chất bán dẫn lúc có hai loại phần tử tải điện electron lỗ trống, chúng tạo khả dẫn điện bán dẫn tinh khiết Hình 1.3 Mức lượng phân bố hạt dẫn theo mức lượng bán dẫn Sự phân bố nồng độ điện tử bán dẫn theo lượng xác định theo phân bố Fermi - Dirac:  E − Ef F(E) + exp  k BT =    (1.2) Trong F(E) xác suất tìm thấy điện tử mức có lượng E E f mức lượng F( E f ) = 0,5 gọi mức lượng Fermi Từ biểu thức (1.2) nhiệt độ T tăng xác suất phân bố điện tử vùng dẫn tăng lên, vùng dẫn xuất điện tử Ngược lại nhiệt độ giảm dần tới không xác suất điện tử vùng dẫn gần không Trong vùng dẫn mật độ điện tử tự n xác định theo công thức: ∞ n = ∫ S ( E ).F ( E )dE Ec (1.3) Nồng độ điện tử vùng dẫn tập trung chủ yếu gần mức có lượng EC gần không tồn mức lượng cao, nên ta tính cách gần đúng:  Ec − E f n ≈ N c exp − k BT     (1.4) 2(2.π me .k BT ) / đó: N c = ; me khối lượng điện tử; kB số h2 Boltzmann, h số Planck Mật độ lỗ trống p tương ứng vùng hóa trị xác định bởi:  E − Ev   p ≈ N v exp − f k T   B Với N v = 2( 2π m p k BT ) / h2 (1.5) mp khối lượng hiệu dụng lỗ trống Khi bị kích thích nhiệt độ, electron vùng hóa trị dịch chuyển lên vùng dẫn để lại lỗ trống tướng ứng vùng hóa trị Bởi vậy, chất bán dẫn tinh khiết, mật electron vùng dẫn n phải nồng độ lỗ trống vùng hóa trị  Ec − E f N c exp − k BT  Hay:   E − Ev  = N v exp − f k BT   Ef = Eg +    kT  N v   ln  N c  (1.6) (1.7) Trong E g độ rộng vùng cấm bán dẫn Do N v ≈ N c nên E f ≈ E g / Như bán dẫn coi mức lượng Fermi nằm vùng dẫn vùng hóa trị Nếu xem nồng độ hiệu dụng hạt dẫn bán dẫn ni đặc trưng cho nồng độ hạt dẫn n p thì:   Ec − E f ni = n p =  N c exp − k BT   Vậy:   E − Ev .N v exp − f k BT    Eg  2(2π k B T ) / 3/  −  ( ) ni = m m exp e p k T h2 B      1/  E − Ev = N c N v exp − c  2k B T (1.8)    Cho nên chất bán dẫn tinh khiết, nhiệt độ không đổi nồng độ hạt dẫn hiệu dụng không đổi không phụ thuộc vào E f , mà phụ thuộc độ rộng vùng cấm bán dẫn [3-4] * Bán dẫn pha tạp Từ bán dẫn tinh khiết cần pha thêm tạp chất thích hợp với nồng độ nhỏ, nồng độ lỗ trống electron tự chất chất bán dẫn tăng lên Ta điều khiển số lượng lỗ trống electron tự tham gia vào trình dẫn điện chất bán dẫn Nên tính dẫn điện chất bán dẫn tăng lên Loại bán dẫn gọi bán dẫn tạp chất Nếu tạp chất pha vào bán dẫn tinh khiết làm tăng số electron tự lên, nên mật độ electron tự lớn mật độ lỗ trống Chất bán dẫn gọi bán dẫn loại n Tạp chất pha vào thường thuộc nhóm V bảng hệ thống tuần hoàn gọi tạp chất cho Trong bán dẫn loại n, tạp chất pha vào nguyên tử có electron tự không liên kết chặt chẽ với mạng tinh thể nên sẵn sàng di chuyển tham gia vào trình dẫn điện Hình 1.4 Mạng tinh thể Ge có thêm tạp chất Sb hóa trị (mạng tinh thể gecmani loại n) Tương tự vậy, pha tạp chất có hóa trị III vào bán dẫn tinh khiết Nguyên tử tạp chất đưa điện tử hóa trị tạo liên kết cộng hóa trị với nguyên tử bán dẫn tinh khiết, bên cạnh mối liên kết thứ để trống Trạng thái mô tả hình 1.5 Phương pháp áp dụng cho bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng Để có nghịch đảo độ tích lũy người ta dùng chùm điện tử có lượng lớn bơm vào họat chất Tuy nhiên nhược điểm phương pháp dễ tạo nên khuyết tật bán dẫn làm tăng dịch chuyển không xạ * Phương pháp phun phần tử tải không cân qua lớp tiếp xúc pn Trong phương pháp này, điện trường đặt vào bán dẫn tạo dòng dịch chuyển p - n theo chiều thuận Điều dẫn đến không đòi hỏi điện trường cao laser làm việc chế độ liên tục Hiệu suất phương pháp đạt tới 70% Nội dung phương pháp hiểu sau: hai chất bán dẫn loại p loại n tiếp xúc với nhau, lớp tiếp xúc có hệu điện tiếp xúc, tương ứng với hiệu mức Fermi thành phần p n Hiệu điện ngăn cản khuếch tán điện tử lỗ trống qua miền tiếp xúc p-n Tuy nhiên hiệu điện đặt theo chiều thuận, chắn bị giảm có mặt điện tích không gian, làm dễ dàng dịch chuyển điện tử lỗ trống qua lớp tiếp xúc tạo nghịch đảo độ tích luỹ Trên sở có nghịch đảo độ tích luỹ, laser bán dẫn hoạt động Nguyên tắc làm việc chung laser bán dẫn là: sau nhờ kích thích bán dẫn có nghịch đảo độ tích luỹ sau thời gian ngắn điện tử lỗ trống chuyển động để tái hợp tạo xạ laser có cường độ lớn Như laser bán dẫn, xạ laser có nhờ tái hợp điện tử lỗ trống Do tái hợp xẩy vùng tương đối lớn so với kích thước phần tử tải nên độ rộng xạ cỡ ∆l = 0.45 A0 Khi giảm nhiệt độ nói chung ∆l giảm ngược lại Nắm chế kích thích nguyên tắc làm việc laser bán dẫn dễ dàng tìm hiểu đặc trưng xạ laser bán dẫn thu từ thực nghiệm [2][7,8] Laser bán dẫn kích thích phun dòng điện tử, nên thay đổi mật độ dòng, đặc trưng phổ xạ thay đổi Laser hoạt động giá trị mật độ dòng gọi mật độ dòng ngưỡng Đó giá trị cần thiết dòng để để hệ số khuếch đại laser hệ số mát [2] Kết luận chương I Trong chương tìm hiểu tổng quan chất bán dẫn, laser laser bán dẫn Trong vật liệu bán dẫn, bán dẫn khiết có cân mật độ phần tử tải vùng dẫn vùng hóa trị Còn loại bán dẫn pha tạp, có phân bố lại mật độ hạt vùng Nên bán dẫn tạp chất chia thành hai loại Bán dẫn loại p - với lỗ trống hạt dẫn đa số, bán dẫn loại n - với điện tử phần tử tải đa số Chính từ hai loại bán dẫn tạp chất này, cho chúng tiếp xúc với tạo thành lớp tiếp xúc p-n với tính chất đặc biệt Bởi vậy, lớp tiếp xúc p - n ứng dụng để chế tạo điot bán dẫn, môi trường hoạt chất để phát laser bán dẫn nhiều ứng dụng rông rại nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật Các laser bán dẫn với môi trường hoạt động chất bán dẫn chế tạo sở tiếp giáp p - n tạo chất bán dẫn pha tạp khác Trong phần tìm hiểu rõ trình phát xung laser bán dẫn pha tạp InGaAsP/InP Chương II KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC PHÁT XUNG CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/InP Sự đời laser với với tính chất đặc trưng mà nguồn sáng có được, mở hướng cho khoa học Từ xuất nay, laser sử dụng rộng rãi hầu hết ngành khoa học, công nghệ nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Do có ứng dụng rộng rãi vậy, nên việc nghiên cứu tìm hiểu sâu trình phát xung laser giúp ta hiểu rõ đặc tính, tham số của laser bán dẫn Từ có có đóng góp lí luận ứng dụng Nội dung chương bao gồm việc dẫn hệ hệ phương trình tốc độ cho laser bán dẫn, sử dụng phương pháp số với tham số động học lấy từ thực nghiệm cho loại laser bán dẫn cụ thể, khảo sát động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP InP 2.1 Hệ phương trình tốc độ Chúng ta giả sử vùng hoạt chất laser điều khiển nguồn điện có cường độ I mô tả hình 2.1 [6] Hình 2.1: Mô hình laser bán dẫn bơm dòng điện Hệ phương trình tốc độ mô tả biến thiên mật độ photon phát biến thiên mật độ phần tử tải viết dạng [6]: dnβp dtτ = [Γ a vg g%- (2.1) ]n p + Γ a v g g% sp V p p dn η j I %p = -[R nr (n) - G nr (n)]-[R r (n) - G r (n)] - v g gn dt qVa (2.2) Trong đó: + Đại lượng dn p dt : mô tả biến thiên mật độ photon phát theo thời gian + Γa: Hệ số giam mode vùng hoạt tính (được xác định tỷ số lượng mode vùng hoạt tổng lượng mode) + vg: Vận tốc nhóm ánh sáng môi trường hoạt ~ + g : Hệ số khuếch đại quang; + Đại lượng Γa vg g%: mô tả khuếch đại quang ngăn laser + τp: Thời gian sống photon BCH + βsp: Hệ số phát xạ tự phát; + Vp: Thể tích mode hiệu dụng; + Đại lượng dn : mô tả biến thiên mật độ phần tử tải theo thời gian; dt + Va: Thể tích hoạt chất; q: điện tích phần tử tải; + I: Cường độ dòng điện bơm với hiệu suất ηj + Đại lượng [R nr (n) - G nr (n)] mô tả mối liên hệ tốc độ tái hợp không xạ trình xạ tự phát viết dạng [6]: R nr (n) - G nr (n) = A(n - n i ) + Cn(n - n i2 ) ≈ An + Cn + Đại lượng [R n (n) - G r (n)] mô tả mối liên hệ tốc độ tái hợp có xạ Gr(n) trình xạ tự phát viết dạng [6]: [R n (n) - G r (n)] = B(n - n i2 ) = Bn Hệ phương trình (2.1), (2.2) hệ phương trình phi tuyến mô tả hoạt động laser bán dẫn Chúng ta sử dụng hệ phương trình để khảo sát hoạt động laser bán dẫn cụ thể phần chương 2.2 Động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP/InP 2.2.1 Các tham số động học laser bán dẫn InGaAsP/InP Để khảo sát hoạt động laser bán dẫn cụ thể, xét trường hợp hoạt chất InGaAsP InP, hình 2.2, đặc trưng dòng điện - công suất mô tả hình 2.3 Hình 2.2 Hoạt chất laser InGaAsP/InP [6] Hình 2.3 Đường đặc trưng dòng điện bơm - công suất phát [6] Để mô tả biến thiên mật độ phần tử tải laser mật độ photon phát, giải số hệ phương trình (2.1), (2.2) Giá trị tham số động học lấy từ kết thực nghiệm loại laser [6]: - Thể tích vùng hoạt chất: W×h×L = (1,5×0,035×500) µ m; - Hệ số phản xạ mặt R1 = R2 = 0,3; - Mật độ photon truyền qua: ntr = 1,75.1018cm-3; - Hệ số giam hãm mode: Γ a = 0, 07 - Hệ số phát xạ tự phát βsp = 10-2 s-1 - Giá trị hệ số khác: A = 0; B = 10-9cm3/s; C = 5.10-29cm6/s; - Hiệu suất dòng điện bơm: η j = 0,85 - Thời gian sống photton BCH: τp = 2,9ps; - Cường độ dòng điện ngưỡng: I0 = 37,5mA - Bước sóng phát laser: λ = 1,550 µm 2.2.2 Sự biến thiên mật độ phần tử tải Trong laser bán dẫn nguồn bơm sử dụng nguồn quang học nguồn bơm điện Dưới tác dụng bơm, phần tử tải (điện tử, lỗ trống) bổ sung dịch chuyển để tái hợp tạo xạ laser Quá trình bổ sung tái hợp dẫn đến biến thiên mật độ phần tử tải vùng dẫn vùng hóa trị Trong khảo sát chúng tôi, nguồn bơm chọn nguồn bơm điện, với cấu trình bày mục (2.2.1), dòng điện bơm có giá trị ngưỡng I0 = 37,5mA Hình 2.4 mô tả biến thiên mật độ phần tử tải laser, dòng bơm chọn I = 0,87I thời gian khảo sát khoảng 30ns 24 x 10 1.8 B ien thien m at hat tai (c m - 3) 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.4 Biến thiên mật độ hạt tải ngăn laser với dòng bơm ngưỡng I0 Từ hình 2.4 ta thấy khoảng thời gian ns sau bơm, mật độ phần tử tải tăng nhanh từ giá trị thấp (cỡ 10 15 cm-3), sau tốc độ tăng giảm dần lên đạt đến trạng thái bão hòa giá trị 1,8.10 24 hạt/cm3 Do cường độ dòng bơm ngưỡng nên có tăng lên đáng kể số lượng phần tử tải laser chưa phát Sự biến thiên mật độ phần tử tải ngưỡng bơm mô tả hình 2.5 Ở dòng bơm chọn có cường độ I = 1,2I thời gian khảo sát khoảng 30ns Như kết khảo sát hình 2.5 cho thấy, khoảng thời gian 7,688ns sau bơm, việc bổ sung phần tử tải nhờ bơm làm mật độ chúng laser tăng lên nhanh lên 2.10 24 hạt/cm3 Từ 7,6ns đến 15ns, biến thiên mật độ phần tử tải tương ứng với dịch chuyển tái hợp chúng vùng dẫn vùng hóa trị kèm theo trình xạ laser Sau thời điểm 15ns trở mật độ hạt giữ giá trị không đổi 2.10 24hạt/cm3, laser trạng thái phát dừng 24 2.5 x 10 X: 7.668e-009 Y: 2e+024 B ien thien m at hat tai (c m - 3) 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.5 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 1,2I0 Tiếp tục tăng cường độ dòng bơm I = 2,8I0, trình biến thiên mật độ phần tử tải mô tả hình 2.6 Từ hình 2.6 ta nhận thấy, mật độ phần tử tải tăng nhanh từ giá trị thấp ban đầu đến 2.1024 cm-3 khoảng thời gian từ 3,98ns Sự bơm cao nhiều lần ngưỡng mặt bổ sung phần tử tải, mặt kích thích trình tái hợp để xạ laser, thời gian phát xạ diễn sớm dài hơn, khoảng 7ns thời gian từ 3,75ns đến 11,5ns Sau thời điểm 11,5ns cường độ bơm đạt đến trạng thái bão hòa, mật độ phần tử tải giữ giá trị không đổi 2.1024 cm-3 Từ kết nhận thấy biến thiên mật độ phần tử tải laser phụ thuộc vào cường độ dòng bơm Khi cường độ dòng bơm ngưỡng mật độ phần tử tải tăng, tốc độ tăng chậm tích lũy thấp chưa đủ để phát laser Khi cường độ dòng bơm tăng, tốc độ tăng độ tích lũy lớn, mật độ phần tử tải tăng nhanh trình tái hợp diễn kèm theo phát xạ laser 24 2.5 x 10 X: 3.986e-009 Y: 2.044e+024 Bien thien mat hat tai (cm-3) 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.6 Biến thiên mật độ phần tử tải với I=2.8I 2.2.3 Khảo sát trình xung laser bán dẫn InGaAsP/InP Trong mục khảo sát trình phát đa mode laser bán dẫn với hoạt chất InGaAsP InP Quá trình phát đa mode laser bán dẫn phụ thuộc vào nhiều tham số laser, đó, cường độ nguồn bơm đóng vai trò quan trọng Trong nghiên cứu chúng tôi, dòng điện bơm điều khiển với giá trị ngưỡng, ngưỡng, đặc trưng xung laser phát xác định đại lượng thời gian khởi phát (tính từ thời điểm bơm xung laser phát ra) cường độ xung phát (số photon phát cm3) Hình 2.7 biểu diễn trình xung laser cường độ dòng bơm I = I0 = 37,5mA Từ hình vẽ nhận thấy, thời gian khởi phát laser 10ns, trình đa mode laser khoảng 14ns 25ns sau bơm laser phát liên tục Trong khoảng thời gian nguồn bơm bổ sung mật độ phần tử tải vùng dẫn vùng hóa trị làm mật độ tăng lên nhanh chóng Cực đại xung laser đạt thời điểm 12 ns với mật độ photon xấp xỉ 4.1019cm-3 19 4.5 x 10 X: 1.198e-008 Y: 4.137e+019 M a t d o p h o to n p h a t (c-m3 ) 3.5 2.5 1.5 0.5 Thời gian khởi phát -0.5 laser phát dừng Quá trình phát xung X: 1.09e-008 Y: 9.674e+017 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.7 Quá trình phát xung laser với I = I0 = 37,5mA Để khảo sát trình xung laser ngưỡng, chọn giá trị dòng bơm I = 1,2I0, biến thiên mật độ photon phát theo thời gian mô tả hình 2.8 Theo kết mô hình vẽ nhận thấy thời gian khởi phát laser trường hợp cỡ khoảng 7,32ns, thời gian xung đạt đỉnh 7,66ns với cường độ xung đạt tới 3.1019cm-3 So sánh với trường hợp cường độ bơm ngưỡng, dòng bơm vượt ngưỡng thời gian khởi phát xung ngắn hơn, cường độ xung laser số lượng xung tăng lên 20 3.5 x 10 X: 7.668e-009 Y: 3.125e+020 Mat photon phat (cm-3) 2.5 1.5 X: 2.495e-008 Y: 6.833e+019 0.5 X: 7.324e-009 Y: 2.902e+018 -0.5 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.8 Quá trình phát xung laser ngưỡng với I = 1,2I0 Hình vẽ 2.9 mô tả trình xung laser với cường độ dòng bơm tương ứng I = 2,2I0 Kết mô hình vẽ 2.9 cho thấy thời gian khởi phát 4,98ns, thời gian xung đạt cực đại xấp xỉ 5,15ns cường độ xung laser phát đạt đến 1021cm-3 20 12 x 10 Mat photon phat (cm-3) 10 X: 5.158e-009 Y: 1.034e+021 X: 4.981e-009 Y: 8.15e+018 -2 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.9 Biến thiên mật độ photon phát với I=2,2I Hình vẽ 2.10 mô tả trình xung laser với cường độ dòng bơm tương ứng I = 2,8I0 Từ hình vẽ nhận thấy thời gian khởi phát 3,9ns, thời gian xung đạt cực đại xấp xỉ 4ns cường độ xung laser phát đạt đến 2.1021cm-3 Cỡ khoảng 20ns sau bơm laser phát dừng Từ kết nhận có nhận xét chung sau: Khi dòng bơm có cường độ ngưỡng, xuất xung laser phát trình đa mode, tác dụng bơm làm tăng mật độ phần tử tải laser kích thích trình tái hợp dẫn đến việc phát xạ laser Khi cường độ dòng điện bơm tăng, thời gian khởi phát ngắn lại cường độ xung laser phát tăng 20 20 x 10 X: 4.025e-009 Y: 1.848e+021 Mat photon phat (cm -3 ) 15 10 X: 3.906e-009 Y: 1.728e+019 -5 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.10 Biến thiên mật độ photon phát với I=2,8I Kết luận chương II Trong chương cách giải hệ phương trình tốc độ mô tả hoạt động laser bán dẫn InGaAsP/InP mô tả động học phát xung laser Kết khảo sát cho ta thấy rằng, điều khiển thay đổi cường độ dòng điện bơm mật độ phần tử tải, mật độ photon mode phát thay đổi Chính tăng lên cường độ bơm bổ sung phần tử tải đồng thời kích thích trình dịch chuyển tái hợp dẫn đến phát mode laser KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn khảo sát động học phát xung laser bán dẫn với môi trường hoạt InGaAsP/InP Các nội dung luận văn tóm tắt sau: Đã trình bày cách tổng quan có hệ thống khái niệm, đặc điểm tính chất chất bán dẫn, loại chất bán dẫn laser bán dẫn Đã dẫn hệ phương trình tốc độ mô tả hoạt động laser bán dẫn với hoạt chất InGaAsP bơm điện Trên sở số liệu thực nghiệm laser bán dẫn sử dụng hoạt chất InGaAsP khảo sát phụ thuộc mật độ phần tử tải, mật độ photon phát với dòng điện bơm ngưỡng, ngưỡng ngưỡng Các kết khảo sát cho thấy quan sát thấy biến thiên mật độ phần tử tải hoạt chất thu xung laser phát với đặc trưng thời gian khởi phát, cường độ xung phụ thuộc vào cường độ dòng điện bơm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An (2002), Vật liệu linh kiện quang tử ứng dụng thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội [2] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (2005), Vật lý laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2008), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục [4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2008) , Vật liệu bán dẫn, NXB Khoa học kĩ thuật [5] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [6] Farhan Rana (2010), Semiconductor Optoelectronics, Cornell University,USA [7] Peter W Milonni , Joseph H Eberly (2009), Laser Physics, Wiley [8] Orizio Svelto (2010), Principles of Lasers, Springer [...]... khảo sát hoạt động của laser bán dẫn cụ thể trong phần tiếp theo của chương 2.2 Động học phát xung của laser bán dẫn InGaAsP/ InP 2.2.1 Các tham số động học của laser bán dẫn InGaAsP/ InP Để khảo sát hoạt động của laser bán dẫn cụ thể, chúng ta xét trường hợp hoạt chất là InGaAsP trên nền InP, như hình 2.2, đặc trưng dòng điện - công suất ra được mô tả trên hình 2.3 Hình 2.2 Hoạt chất laser InGaAsP/ InP. .. nhiều lĩnh vực của khoa học kỹ thuật Các laser bán dẫn với môi trường hoạt động là chất bán dẫn được chế tạo trên cơ sở tiếp giáp p - n được tạo bởi các chất bán dẫn pha tạp khác nhau Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về quá trình phát xung của laser bán dẫn pha tạp InGaAsP/ InP Chương II KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC PHÁT XUNG CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/ InP Sự ra đời của laser với với các tính chất... này chúng tôi đã khảo sát động học phát xung của laser bán dẫn với môi trường hoạt là InGaAsP/ InP Các nội dung chính của luận văn có thể được tóm tắt như sau: Đã trình bày một cách tổng quan có hệ thống về khái niệm, đặc điểm và tính chất của chất bán dẫn, các loại chất bán dẫn và laser bán dẫn Đã dẫn ra hệ phương trình tốc độ mô tả hoạt động của một laser bán dẫn với hoạt chất là InGaAsP bơm điện... của laser bán dẫn InGaAsP/ InP Trong mục này chúng ta khảo sát quá trình phát đa mode của laser bán dẫn với hoạt chất InGaAsP trên nền InP Quá trình phát đa mode của laser bán dẫn phụ thuộc vào nhiều tham số laser, trong đó, cường độ nguồn bơm đóng vai trò quan trọng Trong nghiên cứu của chúng tôi, dòng điện bơm được điều khiển với các giá trị bằng ngưỡng, trên ngưỡng, đặc trưng các xung laser phát được... luận và trong ứng dụng Nội dung chính của chương bao gồm việc dẫn ra hệ hệ phương trình tốc độ cho laser bán dẫn, sử dụng phương pháp số với các tham số động học lấy từ thực nghiệm cho một loại laser bán dẫn cụ thể, chúng tôi sẽ khảo sát động học phát xung của laser bán dẫn InGaAsP trên nền InP 2.1 Hệ phương trình tốc độ Chúng ta giả sử rằng vùng hoạt chất của laser được điều khiển bởi nguồn điện có... tả hoạt động của laser bán dẫn InGaAsP/ InP chúng tôi đã mô tả động học phát xung của laser này Kết quả khảo sát cho ta thấy rằng, khi điều khiển thay đổi cường độ dòng điện bơm thì mật độ phần tử tải, và mật độ photon các mode phát đều thay đổi Chính sự tăng lên của cường độ bơm đã bổ sung các phần tử tải và đồng thời kích thích các quá trình dịch chuyển tái hợp dẫn đến phát ra các mode laser KẾT LUẬN... đại lượng như thời gian khởi phát (tính từ thời điểm bơm cho đến khi xung laser đầu tiên phát ra) và cường độ xung phát (số photon phát trong cm3) Hình 2.7 biểu diễn quá trình xung của laser khi cường độ dòng bơm I = I0 = 37,5mA Từ hình vẽ chúng ta nhận thấy, thời gian khởi phát của laser là 10ns, quá trình đa mode của laser ở trong khoảng 14ns và 25ns sau khi bơm laser phát liên tục Trong khoảng thời... số khuếch đại của laser bằng hệ số mất mát [2] Kết luận chương I Trong chương này chúng tôi đã tìm hiểu tổng quan về chất bán dẫn, laser và laser bán dẫn Trong các vật liệu bán dẫn, thì bán dẫn thuần khiết có sự cân bằng về mật độ các phần tử tải trong các vùng dẫn và vùng hóa trị Còn đối với các loại bán dẫn pha tạp, có sự phân bố lại mật độ các hạt cơ bản trong các vùng Nên bán dẫn tạp chất được... thực nghiệm về laser bán dẫn sử dụng hoạt chất InGaAsP chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc của mật độ phần tử tải, mật độ photon phát với dòng điện bơm dưới ngưỡng, bằng ngưỡng và trên ngưỡng Các kết quả khảo sát cho thấy chúng tôi đã quan sát thấy sự biến thiên mật độ các phần tử tải trong hoạt chất và thu được các xung laser phát với các đặc trưng như thời gian khởi phát, cường độ xung phụ thuộc vào... ở cả hai bên của lớp tiếp giáp p - n Electron tự do trong bán dẫn n của lớp tiếp xúc p -n sau khi khuyếch tán đi vào bán dẫn loại p, sẽ để lại lỗ trống mang điện tích dương Do đó vùng nghèo trong bán dẫn n của lớp tiếp xúc p -n mang điện tích dương Tương tự như thế, lỗ trống sau khi khuếch tán đi vào lớp bán dẫn n, để lại trong bán dẫn p những điện tích âm Vì vậy vùng nghèo trong bán dẫn p lại mang ... XUNG 23 CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/ InP .23 2.1 Hệ phương trình tốc độ .23 2.2 Động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP/ InP 25 2.2.1 Các tham số động học laser bán dẫn InGaAsP/ InP ... động laser bán dẫn Chúng ta sử dụng hệ phương trình để khảo sát hoạt động laser bán dẫn cụ thể phần chương 2.2 Động học phát xung laser bán dẫn InGaAsP/ InP 2.2.1 Các tham số động học laser bán dẫn. .. tạp khác Trong phần tìm hiểu rõ trình phát xung laser bán dẫn pha tạp InGaAsP/ InP Chương II KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC PHÁT XUNG CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/ InP Sự đời laser với với tính chất đặc trưng mà