 |
Лазеры с квантовыми ямами и точками
|
|
|
|
Содержание
Введение
1 Оптоэлектроника
Лазеры с квантовыми ямами и точками
Фотоприемники на квантовых ямах
Заключение
Список литературы
Введение
Развитие оптоэлектроники основано на применение нового диапазона электромагнитных волн – оптического излучения, при использование которого возник класс электронных схем и систем для приема, передачи, хранения и обработки информации. Оптоэлектрнные приборы используются во многих областях науки и техники: в вычислительной техники, приборостроение, метрологии, медицине и др., в том числе для автоматизации разных производств.
Для эффективного развития оптоэлектроники неоходимо распологать широким набором полупроводниковых материалов. Они требуются в разработках различного типа источниковизлучения (полупроводниковые лазеры, инжекционные светодиоды, электролюменисцентные конденсаторы). Это соединения типа (GaAs, GaP), тройные соединения типа GaAlAs, GaInP, соединение ZnS. При разработках фотоприемников для получения широкого спектрального диапазона фотоотклика необходимы полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны – от десятых долей до нескольких электрон вольт. Достижения в технологие получения материалов во многом определили и позволили улучшать энергетические характеристики полупроводниковых источников излучения, чувствительность фотоприемников, параметры оптронов и других оптоэлектронных приборов.
Прошедшие годы харктеризуются огромным достижением в создании и производстве кремниевых интегральных микросхем. Эти достижения сыграли большую роль в развитии кремниевых отоэлектронных приборов, главным образом в разработках полупроводниковых формирователях сигналов изображения.
|
|
|
Оптоэлектроника
Оптоэлектроника, направление электроники, охватывающее вопросы использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. оптоэлектроника возникла как этап развития радиоэлектроники и вычислительной техники, тенденцией которых является непрерывное усложнение систем при возрастании их информационных и технико-экономических показателей (увеличение надёжности, быстродействия, уменьшение размеров и веса). Идея использования света для обработки и передачи информации уже давно реализована: большая группа фотоприёмников (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и пр.) служит для преобразования световых сигналов в электрические. Существуют также и преобразователи последовательности электрических сигналов в видимое изображение. Вся же обработка информации в электрических трактах радиоэлектронных устройств осуществлялась вакуумными и полупроводниковыми приборами.
Идеи оптоэлектроники возникли ещё в 1955, но известные в то время средства для взаимного преобразования электрических и оптических сигналов и для осуществления оптической связи не обеспечивали необходимых эффективности, быстродействия, мощности светового потока, возможности микроминиатюризации. Оптоэлектроника начала интенсивно развиваться лишь с 1963—65, после того как появились лазеры, полупроводниковые светоизлучающие диоды рис.1 и волоконная оптика.
Рис.1. светоизлучающие диоды
Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена или оптической (фотонной) связи. Достоинства оптоэлектроники определяются в первую очередь преимуществами оптической связи по сравнению с электрической, а также теми возможностями которые открываются в результате использования разнообразных физических явлений, обусловленных взаимодействием световых полей с твёрдым телом.
Из-за электрической нейтральности фотонов в оптическом канале связи не возбуждаются электрические и магнитные поля, сопутствующие протеканию электрического тока. Иными словами, фотоны не создают перекрестных помех в линиях связи и обеспечивают полную электрическую развязку между передатчиком и приёмником, что принципиально недостижимо в цепях с электрической связью. Передача информации с помощью светового луча не сопровождается накоплением и рассеиванием электромагнитной энергии в линии. Отсюда — отсутствие существенного запаздывания сигнала в канале связи, высокое быстродействие и минимальный уровень искажения передаваемой информации, переносимой сигналом.
Высокая частота оптических колебаний (1014—1015 гц) обусловливает большой объём передаваемой информации и быстродействие. Соответствующая оптической частоте малая длина волны (до 10–4—10–5 см) открывает пути для микроминиатюризации передающих и приёмных устройств оптоэлектроники, а также линии связи. Минимальные поперечные размеры светового луча — порядка длины волны l. Информационная ёмкость такого канала вследствие его большой широкополосности чрезвычайно высока.
Основные элементы оптоэлектроники: источники света (лазеры, светодиоды), оптические среды (активные и пассивные) и фотоприёмники. Эти элементы применяются как в виде различных комбинаций, так и в виде автономных устройств и узлов с самостоятельными частными задачами. Существует 2 пути развития оптоэлектроники: оптический, основу которого составляет когерентный луч лазера (когерентная оптоэлектроника), и электрооптический, основанный на фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала (оптроника). Сущность оптроники состоит в замене электрических связей в цепях оптическими. С когерентной оптоэлектроникой связаны новые принципы и методы построения больших систем вычислительной техники, оптические связи, запоминания и обработки информации, не имеющих аналогов в традиционной радиоэлектронике. Сюда относятся голография с её огромными возможностями записи, хранения и отображения больших массивов информации, ЭВМ с параллельным вводом информации в виде картин (машины с картинной логикой), сверхбыстродействующие вычислительные системы со скоростью обработки информации ~109—1011 операций в 1 сек, устройства памяти большой ёмкости (1010—1012 бит), лазерное телевидение и прочие. Большие перспективы открывает когерентная оптоэлектроника перед многоканальной оптической связью.
Функциональная когерентная оптоэлектроника, или интегральная оптика, является оптическим аналогом интегральной микроэлектроники. Её основу составляют диэлектрические микроволноводы на жёсткой подложке. Они служат для передачи светового сигнала от одного функционального узла к другому и его преобразования.
В оптронике используются специфические характеристики, получаемые в результате различных комбинаций источников света, передающих, управляющих сред и фотоприёмников. Преобразование сигналов в оптронике осуществляется параметрическим методом. Оптронные схемы по структуре значительно проще и функционально более ёмкие, чем полупроводниковые. Это обусловлено:
1) оптической связью в электрические цепи, что снимает проблему их согласования по напряжениям, частотам и повышает устойчивость;
2) простотой преобразования электрического сигнала в оптический (световой) и снова в электрический (оптронная цепь может управляться и управлять как электрическими, так и оптическими сигналами).
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Оптопары: а - диодная; б – транзисторная; в – с составным транзистором; г - тиристорная
Основной структурный элемент оптроники — оптрон рис. 2. Оптроны выполняют разнообразные схемные задачи: усиление и преобразование электрических и оптических сигналов, переключения, модуляции и др. Оптроны могут сочетать логические функции с функциями отображения и индикации, если источник излучения работает в видимой части спектра.
Лазеры с квантовыми ямами и точками
Самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на двойной гетероструктуре, где активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника между двумя широкозонными. При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. Основное влияние на свойства лазеров оказывает изменение плотности состояний, происходящее под влиянием размерного квантования. Если в массивном полупроводнике в непосредственной близости от края зоны эта величина мала, то в квантово-размерной системе она не убывает вблизи края, оставаясь равной m/πh2. Создание лазеров с квантово-размерной активной областью позволило получить непрерывную генерацию при комнатной температуре и в дальнейшем снизить пороговый ток инжекционного лазера до величин порядка 50 А/см2.
|
|
|
Благодаря иной энергетической зависимости плотности состояний меняется не только величина порогового тока, но и его температурная зависимость. Она становится более слабой, в силу чего непрерывную генерацию удается получить не только при комнатной температуре, но и при температурах на много десятков градусов выше.
Другой важной особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов равна
hν = Eg + E1е+ E1h.
Она меняется при изменении a (ширина квантовой ямы, и т.п.), т. е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществлять перестройку частоты генерации, сдвигая ее в коротковолновую сторону по сравнению с лазерами с широкой (классической) активной областью.
Рис. 3 Двусторонняя лазерная гетероструктура: а) в состоянии термодинамического равновесия; б) при работе
В квантовых точках энергетический спектр меняется еще более радикально, чем в квантовых ямах. Плотность состояний имеет δ-образный вид, и в результате отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и как следствие уменьшает пороговый ток. Лазеры могут содержать одну или (для увеличения оптического усиления) несколько плоскостей, заполненных квантовыми точками. Согласно теоретическим оценкам, диодные лазеры с активной средой из квантовых точек должны обладать значительно лучшими свойствами по сравнению с лазерами на квантовых ямах, а именно: существенно большим коэффициентом усиления, меньшей пороговой плотностью тока, полной невосприимчивостью к температуре решетки, лучшими динамическими характеристиками и большими возможностями контроля над энергией кванта излучения[5]
|
|
|
