Biến điệu bước sóng laser bán đẫn DBR bằng dòng bơm

Mục lục Trang Mở đầu . 2 Chơng 1. Laser bán dẫn 4 1.1 Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn . 4 1.1.1 Chất bán dẫn tinh khiết . 4 1.1.2 Chất bán dẫn pha tạp 6 1.2 Chuyển tiếp p - n . 8 1.2.1 Lớp chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng 8 1.2.2 Lớp chuyển tiếp p - n phân cực thuận . 11 1.2.3 Lớp chuyển tiếp p - n dị thể . 14 1.3 Laser bán dẫn . 18 1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn . 18 1.3.2 Một số đặc trng của diode laser 20 1.3.3 Một số diode laser đơn mode thông dụng. . 25 1.4 Kết luận 29 Chơng 2 ứng dụng laser bán dẫn trong quang phổ hấp thụ . 30 2.1 Phơng pháp quang phổ hấp thụ thông thờng 30 2.2 Phơng pháp quang phổ hấp thụ lọc lựa 31 2.3 Laser bán dẫn có bớc sóng thay đổi 34 2.3.1 Thay đổi bớc sóng theo nhiệt độ 34 2.3.2 Thay đổi bớc sóng bằng buồng cộng hởng 35 2.3.3 Thay đổi bớc sóng laser DBR bằng dòng bơm 36 2.4 Kết luận 38 Chơng 3. Biến điệu bớc sóng bức xạ laser bán dẫn DBR ba ngăn 39 3.1 Cơ sở biến điệu tần số laser bằng dòng bơm . 39 3.2 Bộ phát dao động hình sin dùng hệ tự dao động 42 3.3 Bộ tự dao động thạch anh dùng diode tunnel . 44 3.4 Tính toán giá trị các linh kiện cho mạch dao động 47 3.5 Kết luận . 53 Kết luận chung . 54 Tài liệu tham khảo 55 1 mở đầu Ngày nay, ánh sáng laser đã có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nh: quân sự, thông tin, công nghệ chế tạo, vật lý học .Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngày càng xuất hiện nhiều loại laser với những đặc tính u việt. Trong số các loại laser đó, laser diode bán dẫn đóng một vai trò quan trọng vì những lợi thế nổi bật của nó nh: kích thớc nhỏ gọn, rẻ tiền, có thể biến điệu tần số và bớc sóng phát. Do đó trong nhiều ứng dụng vai trò của laser bán dẫn là không thể thay thế đợc, đặc biệt là ứng dụng trong thông tin quang và quang phổ hấp thụ. Tuy nhiên trong quang phổ hấp thụ, khi sử dụng laser bán dẫn có bớc sóng thay đổi, không thể nâng cao đợc độ chính xác của phép đo vì công suất laser thấp và độ nhạy của đầu thu thấp. Điều này có thể khắc phục đợc nếu sử dụng phơng pháp quang phổ lọc lựa khi sử dụng laser bán dẫn có biến điệu bớc sóng. Việc biến điệu bớc sóng có thể thực hiện bằng nhiều phơng pháp khác nhau nh, thay đổi có chu kỳ nhiệt độ hoạt chất, thay đổi tính chất của buồng cộng hởng hay là thay đổi dòng bơm. Tuy nhiên hai phơng pháp đầu là khá phức tạp và khó thực hiện. Muốn thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ trong một vùng nhiệt độ nhỏ là không chính xác, và công nghệ hiện nay cha thể đáp ứng. Hoặc nếu thay đổi phẩm chất của buồng cộng hởng bằng cơ khí nh thay đổi độ dài buồng cộng hởng hoặc quay cách tử sẽ không chính xác do độ rung cơ trong quá trình thao tác. Chỉ duy nhất phơng pháp thứ ba là khả thi hơn cả vì việc biến điệu dòng nuôi có thể thực hiện dễ dàng bằng các mạch điện đơn giản. Nh vậy, để có đợc laser bán dẫn biến điệu bớc sóng ứng dụng trong quang phổ hấp thụ lọc lựa, ta có thể sử dụng phơng pháp biến điệu nguồn nuôi. Với các phân tích trên, mục tiêu của luận văn là nghiên cứu xây dựng mạch biến điệu dòng nuôi cho laser bán dẫn DBR, một loại laser có bớc sóng thay đổi hiện đại và rất thông dụng hiện nay. 2 Để đạt đợc mục đích trên, luận văn sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệu bán dẫn, laser bán dẫn, ứng dụng của nó trong quang phổ hấp thụ lọc lựa và cuối cùng xây dựng phơng pháp biến điệu bớc sóng cho laser bán dẫn DBR bằng nguồn nuôi. Toàn bộ nội dung của luận văn đợc trình bày trong ba chơng sau: Chơng 1: Trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệu bán dẫn, laser bán dẫn và các đặc tính của laser bán dẫn. Chơng 2: Trình bày ứng dụng của laser bán dẫn có bớc sóng thay đổi trong ph- ơng pháp quang phổ hấp thụ lọc lựa. Chơng 3: Trình bày phơng pháp biến điệu bớc sóng laser bán dẫn bằng dòng bơm. Chơng 1 3 laser bán dẫn 1.1 Chất bán dẫn và các tính chất của chất bán dẫn 1.1.1 Chất bán dẫn tinh khiết Trong chất bán dẫn tinh khiết, cấu trúc mức năng lợng gồm ba phần: vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm (Hình 1). ở độ không tuyệt đối trong vùng dẫn không có các hạt mang điện nên chất bán dẫn không dẫn điện. Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng, một số electron nhận thêm năng lợng bổ sung, chúng có thể vợt qua vùng cấm, và chiếm các mức năng lợng trong vùng dẫn. Các electron sau khi chuyển lên vùng dẫn sẽ để lại các lỗ trống trong vùng hoá trị. Quá trình trên tạo ra các cặp electron lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hoá trị, tức là nó tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể chất bán dẫn. Và chất bán dẫn có khả năng dẫn điện. Xác suất tìm thấy electron có mức năng lợng E trong chất bán dẫn tuân theo hàm phân bố Fermi - Dirac[14] + = KT EE exp1 1 )E(F F (1.1) trong đó E F là mức năng lợng Fermi Phân bố hạt dẫn theo các mức năng lợng của bán dẫn tinh khiết đợc biểu diễn trên hình 2. 4 Năng lượng Phân bố electron tự do Phân bố lỗ trống E c E F E v Vùng dẫn Vùng hoá trị Hình 1. Cấu trúc vùng năng lợng trong bán dẫn tinh khiết E g Vùng dẫn Vùng hoá trị Vùng cấm Hình 2. Mức năng lợng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lợng trong bán dẫn tinh khiết Từ phơng trình (1.1) rõ ràng khi nhiệt độ T tăng, xác suất tìm thấy electron trong vùng dẫn tăng lên. Ngợc lại khi nhiệt độ giảm tới độ không tuyệt đối thì xác suất tìm thấy electron trong vùng dẫn hầu nh bằng không. Nồng độ electron tự do trong vùng dẫn đợc xác định bằng công thức[14]: = c E dE).E(F).E(Sn , (1.2) trong đó ( ) 2/1 c 2/3 2 e EE h m2 4)E(S = là mật độ trạng thái lợng tử ở mặt phân giới. Thay (1.1) và (1.3) vào (1.2) ta tìm đợc = KT EE expNn Fc C , (1.3) trong đó 2/3 2 e C h KTm2 2N = là số hiệu dụng các trạng thái trong vùng dẫn. Tơng tự đối với các lỗ trống trong vùng hoá trị ta cũng có = KT EE exp.Np vF v , (1.4) trong đó 2/3 2 p v h KTm2 2N = là số hiệu dụng các trạng thái trong vùng hoá trị. Trong chất bán dẫn tinh khiết nồng độ electron trong vùng dẫn n bằng nồng độ lỗ trống p trong vùng hoá trị KT EE exp.N Fc c = KT EE exp.N vF v . (1.5) 5 Từ đó ta tính đợc += c v g F N N ln 2 KT 2 E E . (1.6) Do cv NN nên 2 E E g F . Nh vậy, trong bán dẫn tinh khiết có thể coi mức năng lợng Fermi nằm ở giữa vùng dẫn và vùng hoá trị. Nếu coi nồng độ hiệu dụng hạt dẫn là n i đặc trng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì n.pn i = ( ) = KT E expm.m h KT2 2 g 4/3 pe 2/3 2 . (1.7) Từ (1.7) ta thấy, trong chất bán dẫn, nồng độ hạt dẫn hiệu dụng chỉ phụ thuộc vào bề rộng của vùng cấm và nhiệt độ, nó không phụ thuộc vào sự có mặt của tạp chất. Nếu nhiệt độ không đổi thì n i là đại lợng không đổi nên khi pha tạp chất nếu tăng n thì p giảm và ngợc lại. 1.1.2 Bán dẫn pha tạp Khi cho tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn tinh khiết, bán dẫn đó trở thành bán dẫn pha tạp. Có hai loại bán dẫn pha tạp là bán dẫn loại p nếu ở lớp ngoài cùng của nguyên tử tạp chất có ít hơn một electron so với bán dẫn. Và bán dẫn loại n nếu nguyên tử tạp chất có nhiều hơn một electron ở lớp ngoài cùng so với bán dẫn. Các nguyên tử pha tạp trong bán dẫn loại n gọi là các donor (chất cho). Các donor có một electron không liên kết chặt với mạng tinh thể, nó có thể chuyển động tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện. Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n là d N đợc xác định tơng tự nh bán dẫn tinh khiết. == KT EE exp.NNn Fnc cd (1.8) hay += c d cFn N N lnKTEE (1.9) Tơng tự nh vậy, trong bán dẫn p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp một lỗ trống trong vùng hoá trị. Các nguyên tử tạp chất loại này đợc gọi là acceptor (chất nhận). Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại p là a N đợc xác định nh sau: 6 == KT EE exp.NNp vFp va (1.10) hay = v a vFp N N lnKTEE (1.11) Theo biểu thức (1.9) và (1.11) thì bán dẫn pha tạp loại n có mức năng lợng Fermi tăng dần tới gần đáy của vùng dẫn khi nồng độ pha tạp d N tăng, ngợc lại mức năng lợng Fermi trong bán dẫn loại p lại giảm dần tới đỉnh vùng hoá trị khi nồng độ pha tạp a N tăng. Phân bố electron và lỗ trống đợc biểu diễn trên hình 3. Hình 3a. Mức năng lợng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong bán dẫn loại n 7 Vùng hoá trị Năng lượng E c E Fn E v Vùng dẫn Phân bố tập trung hạt dẫn Hình 3b. Mức năng lợng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong bán dẫn loại p 1.2 Chuyển tiếp p-n 1.2.1 Lớp chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng Cấu tạo cơ bản của các nguồn quang là các lớp chuyển tiếp bán dẫn p-n. Chuyển tiếp p-n hình thành từ hai loại chất bán dẫn và nếu chúng có độ rộng vùng cấm nh nhau thì đợc gọi là chuyển tiếp đơn thể, ngợc lại đợc gọi là chuyển tiếp dị thể. Phân bố hạt dẫn trong chuyển tiếp đơn thể không phân cực đợc biểu diễn trên hình 4. Lỗ trống đợc tập trung với nồng độ cao trong bán dẫn loại p, nơi mà lỗ trống là hạt dẫn đa số, electron tập trung nhiều tại bán dẫn loại n nơi electron là hạt dẫn đa số. Do phân bố nồng độ không đồng đều ở hai bên của chuyển tiếp p-n nên các hạt dẫn đa số electron và lỗ trống có xu hớng khuếch tán theo chiều grad nồng độ phân bố của chúng. Khi electron và lỗ trống vợt qua lớp chuyển tiếp chúng lại trở thành hạt thiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm nồng độ hạt dẫn trong miền khuếch tán. 8 Phân bố điện thế khoảng cách (d) 0 Miền nghèo bán dẫn loại n -W pd W nd Mật độ hạt dẫn P p bán dẫn loại p p n n n n p khoảng cách (a) (b) 0 Phân bố điện trường khoảng cách (e) 0 E F E c E v eU B E v E c khoảng cách Phân bố năng lượng (f) Phân bố điện tích khoảng cách (c) 0 Năng lượng E c E Fp E v Vùng dẫn Vùng hoá trị Phân bố tập trung hạt dẫn Hình 4. Chuyển tiếp p-n không phân cực; a) Chuyển tiếp p-n; b) Phân bố hạt dẫn; c) Phân bố điện tích; d) Biến thiên điện thế; e) Phân bố điện trờng; f) Phân bố năng lợng. Miền khuếch tán còn gọi là miền nghèo vì trong miền này nồng độ hạt dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ hạt đa số ban đầu. Nh vậy miền nghèo tồn tại ở cả hai bên chuyển tiếp p-n. 9 Electron trong bán dẫn n của lớp chuyển tiếp sau khi khuếch tán qua lớp này để lại nguyên tử mang điện tích dơng do đó miền nghèo trong bán dẫn loại n của chuyển tiếp p-n lại mang điện tích dơng. Tơng tự lỗ trống sau khi khuếch tán qua lớp chuyển tiếp, tái hợp để lại trong bán dẫn p những nguyên tử mang điện tích âm. Quá trình khuếch tán để lại các nguyên tử mang điện tích và tạo ra một điện trờng nội hớng từ bán dẫn n sang bán dẫn p, chính điện trờng này ngăn cản sự khuếch tán của các hạt đa số, đồng thời tăng cờng dòng trôi theo chiều ngợc với dòng khuếch tán. Dòng trôi của electron đợc phóng vào bán dẫn p, và lỗ trống phóng vào bán dẫn n là: EnqJ nndrif à= ; EnqJ ppdrif à= , (1.12) trong đó dx dV E = ; n à là độ linh động của electron; p à là độ linh động của lỗ trống. Nh vậy dòng trôi của electron và lỗ trống đều phụ thuộc vào cờng độ điện trờng của lớp chuyển tiếp. Trong khi dòng trôi của các hạt dẫn phụ thuộc vào c- ờng độ điện trờng thì dòng khuếch tán của các hạt đa số qua tiếp giáp lại phụ thuộc vào gradient nồng độ của chúng. Dòng khuếch tán của các lỗ trống trong bán dẫn loại n và của các electron trong bán dẫn loại p đợc tính theo công thức dx qdp DJ n ppdiff = ; dx qdn DJ p nndiff = , (1.13) trong đó np D,D là hệ số khuếch tán của lỗ trống và electron tơng ứng. Khi không phân cực cho chuyển tiếp p - n, tổng các dòng chảy qua chuyển tiếp bằng không, tức là dòng trôi và dòng khuếch tán bằng nhau, có chiều ngợc nhau 0JJ drifdifff =+ (1.14) Gọi pnB VVU = là hiệu điện thế của chuyển tiếp p - n, từ điều kiện (1.14) ta tính đợc += à = vc ad g p n n n B N.N N.N ln q KT q E n n ln. D U . (1.15) 10