Ảnh hưởng của quá trình điều biến nguồn bơm lên hoạt động của laser bán dẫn ingaasp

Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và ngày nay đóng góp vai t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LÊ THỊ TÚ

ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU BIẾN NGUỒN BƠM LÊN HOẠT ĐỘNG

CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGHỆ AN - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LÊ THỊ TÚ

ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU BIẾN NGUỒN BƠM LÊN HOẠT ĐỘNG

CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận này, tôi rất biết ơn tới Ban giám hiệu, quý thầy (cô) trong khoa Vật lý và Công nghệ, Trường Đại học Vinh đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Đặc biệt, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Phú đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng xin cám ơn gia đình, tập thể lớp Quang học K23 đã động viên, góp ý và giúp đỡ để luận văn được hoàn thành

Trong quá trình nghiên cứu và trình bày, tôi đã rất nỗ lực và cố gắng nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Do vậy, tôi rất mong nhận được

ý kiến đóng góp của quý thầy (cô) và các bạn để hoàn thiện hơn nữa các kết quả nghiên cứu của mình

Xin chân thành cảm ơn!

Tôi xin được bày tỏ Tác giả

Lê Thị Tú

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Lê Thị Tú

MỤC LỤC

Trang

Lời cám ơn i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Đóng góp mới của đề tài 2

7 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG I LASER BÁN DẪN 4

1.1 Quá trình phát quang trong chất bán dẫn 4

1.1.1 Chất bán dẫn, đặc điểm, tính chất 4

1.1.2 Sự hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong chất bán dẫn 9

1.1.3 Điều kiện nghịch đảo nồng độ trong chất bán dẫn 10

1.1.3.1 Dịch chuyển giữa các vùng 11

1.1.3.2 Dịch chuyển giữa vùng và mức tạp chất 11

1.2 Laser bán dẫn 12

1.2.1 Cấu tạo laser bán dẫn, nguyên tắc hoạt động 12

1.2.2 Điều kiện phát 13

1.2.3 Laser bán dẫn InGaAsP 14

1.3 Các phương pháp bơm laser bán dẫn 15

1.3.1 Bơm quang học 15

1.3.2 Bơm bằng dòng điện 15

1.4 Điều biến laser bán dẫn 16

1.4.1 Khái niệm và mục đích điều biến 16

1.4.2 Các phương pháp điều biến (biến điệu) 17

1.4.3 Một số loại phương pháp biến điệu trực tiếp 17

Kết luận Chương I 18

CHƯƠNG II KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐIỀU BIẾN NGUỒN BƠM LÊN HOẠT ĐỘNG CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP 19

2.1 Hệ phương trình tốc độ 19

2.2 Ảnh hưởng của một vài tham số động học lên các hoạt động của laser khi dòng điện bơm không đổi 21

2.2.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện 23

2.2.2 Ảnh hưởng của thể tích vùng hoạt chất 27

2.3 Ảnh hưởng của quá trình điều biến xung bơm lên xung phát của laser bán dẫn 31

2.3.1 Dạng của xung laser phát 32

2.3.2 Ảnh hưởng của biên độ xung bơm lên các đặc trưng của xung laser phát 33 Kết luận chương II 37

KẾT LUẬN CHUNG 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 mô tả ứng dụng của laser InGaAsP trong các miền bước sóng khác nhau 14 Bảng 2.1 Giá trị các tham số động học được lấy từ các kết quả thực nghiệm về cùng loại laser 21 Bảng 2.2 Kết quả giải số ảnh hưởng của biên độ xung điện bơm lên các đặc trưng xung laser phát 34

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Phân bố các vùng trong chất bán dẫn 5

Hình 1.2 Mức năng lƣợng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lƣợng trong bán dẫn thuần 6

Hình 1.3 Mức năng lƣợng Fermi và phân bố mật độ hạt tải trong vật liệu pha tạp a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p 9

Hình 1.4 Cấu tạo của laser bán dẫn 12

Hình 1.5 Sự khuếch tán và tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống 13

Hình 2.1: Mô hình laser bán dẫn bơm bằng dòng điện 19

Hình 2.2 Biến thiên mật độ hạt tải (2.2a) và các dao động laser (2.2b) khi dòng bơm không đổi 22

Hình 2.3 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon phát khi I = I0 23

Hình 2.4 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon khi I = 1.2I0 24

Hình 2.5 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon khi I = 1.8I0 25

Hình 2.6 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon khi I = 2,5I0 26

Hình 2.7 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon phát trong vùng hoạt chất có thể tích V0 = 18,75.10-18m3 28

Hình 2.8 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon phát trong vùng hoạt chất có thể tích V = 2V0 29

Hình 2.9 Biến thiên mật độ hạt tải và biến thiên mật độ photon phát trong vùng hoạt chất có thể tích V = 5V0 30

Hình 2.10 Mô tả dạng xung bơm với chu kỳ T 31

Hình 2.11 Dạng xung phát của laser trong trường hợp có mặt của xung điện bơm 33 Hình 2.12 Ảnh hưởng của thay đổi biên độ xung điện bơm lên các đặc trưng xung laser phát (2.12a) i0 = 180mA, (2.12b) i0 = 200mA, (2.12c) i0 = 220mA 35

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Giữa thế kỷ 20, laser là một trong những phát minh vĩ đại của con người Đặc biệt, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ laser đã kéo theo sự ra đời của nhiều ngành khoa học mới và thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực khoa học và ứng dụng Nhờ có laser, quang phổ laser đã có được những thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý nguyên tử, vật lý phân tử, vật lý plasma, vật lý chất rắn, phân tích hóa học và ngày nay đóng góp vai trò quan trọng trong nghiên cứu môi trường, y học hay công nghệ sinh học, quân sự, …

Trong các loại laser, laser bán dẫn chiếm ưu thế lớn trong nhiều ứng dụng rộng, với kích thước nhỏ, ngưỡng bơm thấp, hiệu suất cao, công suất tiêu thụ nhỏ, khả năng điều biến cao, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đến cao và đến chế độ liên tục Vì vậy, việc khảo sát các đặc tính của laser bán dẫn cần thiết cho các ngành khoa học

Trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề tìm hiểu: “Ảnh hưởng của quá

trình điều biến nguồn bơm lên hoạt động của laser bán dẫn InGaAsP” trong

hai trường hợp với nguồn bơm không đổi và với nguồn bơm xung điện phụ thuộc thời gian, nhằm góp phần làm phong phú các công trình về nghiên cứu laser ngành Vật lý và Công nghệ

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu những ảnh hưởng của quá trình điều biến lên sự phát xạ của laser bán dẫn InGaAsP trong trường hợp sử dụng nguồn bơm điện và nguồn xung điện

Nghiên cứu về mặt vật lý và công nghệ các lĩnh vực:

 Chất bán dẫn và laser bán dẫn InGaAsP

 Hệ phương trình tốc độ

 Nguyên tắc và các cách điều biến nguồn bơm của laser bán dẫn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu về mặt vật lý và công nghệ các lĩnh vực:

 Chất bán dẫn và laser bán dẫn InGaAsP

 Hệ phương trình tốc độ

 Nguyên tắc và các cách điều biến xung phát của laser bán dẫn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

 Laser bán dẫn và các nguyên tắc điều biến xung phát của nó

4.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

 Cấu tạo của laser bán dẫn

 Quá trình điều biến sự phát xạ của laser bán dẫn InGaAsP

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với phương pháp số bằng phần mềm Matlab

6 Đóng góp mới của đề tài

6.1 Về lí luận:

Góp phần làm phong phú thêm các nội dung về nghiên cứu những ảnh hưởng của quá trình điều biến nguồn bơm lên hoạt động của laser bán dẫn InGaAsP, cụ thể là khảo sát trong hai trường hợp khi laser hoạt động với nguồn bơm không đổi và nguồn bơm xung điện phụ thuộc thời gian

6.2 Về ứng dụng:

Ứng dụng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo, nghiên cứu khoa học

7 Cấu trúc luận văn

laser bán dẫn InGaAsP

Phần III KẾT LUẬN

CHƯƠNG 1 LASER BÁN DẪN 1.1 Quá trình phát quang trong chất bán dẫn

1.1.1 Chất bán dẫn, đặc điểm, tính chất (bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp)

Chất bán dẫn là nhóm các loại vật chất có độ dẫn điện mà trị số điện trở suất của chúng ở nhiệt độ bình thường nằm trong khoảng giữa điện trở suất của vật dẫn và điện môi Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt

độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng

Điện trở suất của kim loại ở trong khoảng 108

đến 106 m Điện trở suất của bán dẫn nằm trong khoảng 104 đến 1010 m (chẳng hạn Ge có điện trở suất trong khoảng 5.106 đến 0,047 m, CdS có điện trở suất từ 105

đến

1010m) Các vật liệu có điện trở suất lớn hơn 108 m được gọi là điện môi (ví dụ: mica có điện trở suất từ 1011  1014m, thuỷ tinh có điện trở suất từ 106 

1013m) Khác với kim loại mà độ dẫn điện phụ thuộc vào nghịch đảo của nhiệt

độ, chất bán dẫn có độ dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm emũ

exp( /kBT), trong đó  là một hằng số Tuy nhiên trong một miền nào đó của nhiệt độ, điện trở của bán dẫn có thể tăng khi nhiệt độ tăng

Khi các nguyên tử sắp sếp cạnh nhau thì các điện tử tương tác lẫn nhau Các mức năng lượng của các nguyên tử có thể tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng trên vùng cấm là vùng dẫn Khoảng cách giữa cùng dẫn và vùng hóa trị là độ rộng vùng cấm Độ rộng và vị trí từng vùng năng lượng phụ thuộc vào các loại chất rắn khác nhau Theo quan điểm của lí thuyết vùng, các chất bán dẫn là các chất có vùng cấm hẹp, cụ thể là bề rộng của vùng cấm không quá 2 - 3 eV, vùng này có thể được khắc phục nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài

Trong chất bán dẫn, tại nhiệt độ 0K tuyệt đối, vùng hóa trị chiếm đầy bởi các điện tử, còn vùng dẫn bị rỗng hoàn toàn Một điện tử muốn tham gia vào

thành phần dòng điện phải trở thành điện tử tự do, nghĩa là nó phải có đủ năng lượng nhảy từ vùng hóa trị vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn

Hình 1.1 Phân bố các vùng trong chất bán dẫn

Ví dụ đối với chất bán dẫn Silic (Si), liên kết giữa các nguyên tử Si ở cạnh nhau không quá chặt Cho nên, khi ở nhiệt độ T≠0K các dao động nhiệt của các nguyên tử Si làm cho một số liên kết bị đứt ra Khi một liên kết bị đứt, một điện

tử tự do được tạo ra và nó có khả năng dẫn điện Người ta gọi các điện tử như vậy là các điện tử dẫn (hạt dẫn) Thêm vào đó, ở chỗ các điện tử đã chiếm chỗ trước khi liên kết bị đứt thì bây giờ là chỗ trống Các điện tử hóa trị có thể nhảy

từ các liên kết lân cận vào vị trí lỗ trống này và tham gia quá trình dẫn điện

Vậy, dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường

Phân bố năng lượng của các điện tử trong chất bán dẫn tuân theo các quy luật của phép thống kê Fermi_Dirac, cho biết xác suất một trạng thái điện tử có năng lượng E bị chiếm bởi một điện tử Hàm này chứa các thông số , được gọi

là mức Fermi Đặc tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt tích điện trong chất bán dẫn

Nồng độ điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo phân bố

Fermi - Dirac:

( )

( )

( )

Trong đó: F(E) là xác suất tìm thấy điện tử ở mức có năng lượng E

là mức năng lượng khi F( ) = 0,5 gọi là mức năng lượng Fermi

Dựa vào mật độ electron và mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn, người ta có

thể phân loại chúng thành chất bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp Chỉ cần một

lượng tạp chất nhỏ (khoảng 10-6

%) Cho đến nay người ta đã tìm ra hàng loạt bán dẫn tinh thể nguyên chất (bán dẫn thuần) và hợp chất (bán dẫn pha tạp), với những thông số đặc trưng riêng phù hợp với các mục đích kỹ thuật khác nhau

Bán dẫn thuần

Trong trường hợp lý tưởng, bán dẫn thuần là bán dẫn tinh khiết không có tạp chất Trong bán dẫn thuần Si, mỗi nguyên tử góp bốn điện tử hóa trị với bốn nguyên tử Si xung quanh tạo nên liên kết hóa trị Đối với bán dẫn thuần ở 0K, vùng hóa trị bị lấp đầy bởi điện tử, còn vùng dẫn thì bị rỗng

Hình 1.2 Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng

trong bán dẫn thuần

Khi T>0K, do thu được năng lượng nhiệt, một số điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn trở thành điện tử tự do, sẵn sàng tham gia vào thành phần dòng điện Khi ấy tronng vùng hóa trị do thiếu hụt điện tử nên xuất hiện mức năng lượng lỗ trống Điện tử xung quanh có thể nhảy vào chỗ lỗ trống lấp đầy lỗ trống

này, một lỗ trống mới xuất hiện Quá trình nhiều bước nhảy của các điện tử như thế này khiến chúng ta cảm nhận là lỗ trống di chuyển đi, hay nói cách khác thành phần dòng lỗ trống trong vùng hóa trị tham gia vào quá trình dẫn điện Như vậy, trong chất bán dẫn thuần, mật độ electron bằng mật độ lỗ trống và

có giá trị nhỏ Theo biểu thức (1.1) khi nhiệt độ T tăng thì xác suất phân bố điện

tử trong vùng dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong vùng dẫn Ngược lại khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất điện tử trong vùng dẫn hầu như bằng không Có thể coi mức năng lượng Fermi trong bán dẫn thuần nằm ở giữa vùng dẫn và vùng hóa trị

Bán dẫn loại n, nguyên tử donor

Khi pha một nguyên tử có ở nhóm V trong bảng tuần hoàn (P, As, Sb, …) vào bán dẫn, thí dụ pha một nguyên tử P vào Si, các nguyên tử nhóm V có thể thay thế các nguyên tử Si trong mạng tinh thể Một nguyên tử tạp chất P ở nút mạng có 5 điện tử, nó thay thế một nguyên tử Si ở nút mạng và có một điện tử mang điện tích âm dư ra (vì liên kết trong Si chỉ cần 4 điện tử) Nguyên tử P cho một điện tử vào vùng dẫn Vật liệu bán dẫn được pha tạp P cho điện tử dư mang điện tích âm, nó được gọi là bán dẫn loại n Những tạp chất thuộc nhóm V kể trên được gọi là những đôno (tạp chất cho điện tử) Khi pha những tạp chất này vào bán dẫn, các nguyên tử nhóm V thông thường bị ion hóa hoàn toàn, chúng cho những điện tử tự do và trở thành ion dương Số lượng điện tử tự do trong bán dẫn n nhiều hơn lỗ trống Tính dẫn điện trong bán dẫn n do điện tử quyết định Tuy nhiên, do mật độ trạng thái năng lượng trong vùng dẫn cũng giống như trong trường hợp bán dẫn thuần, cho nên mức Fermi trong bán dẫn n và cùng với nó là hàm phân bố Fermi-Dirac sẽ dịch lên phía trên gần mép vùng dẫn, phụ thuộc vào độ lớn của nồng độ hạt tải loại n

Bán dẫn loại p, nguyên tử acceptor

Khi pha nguyên tử nhóm III trong bảng tuần hoàn như In, Ga, B, Al vào bán dẫn Si, nguyên tử nhóm III sẽ thay thế một số nguyên tử Si trong nút mạng

Vì B có 3 điện tử nên khi nó ở trong mạng Si, B thiếu một điện tử một điện tử nhận được thêm vào để đủ 4 điện tử tạo thành liên kết hóa trị 4 xung quanh nguyên tử B Khi một điện từ một chỗ nào đó trong mạng bán dẫn đến liên kết với B sẽ để lại một lỗ trống mang điện dương Lỗ trống này được hình thành trong vùng hóa trị Đây là bán dẫn p Bán dẫn này mang nhiều điện tích dương Nguyên tử B được gọi là nguyên tử acceptor (nhận) Khi pha các acceptor vào bán dẫn, thường thường chúng bị ion hóa trở thành các ion âm và làm tinh thể bán dẫn xuất hiện những lỗ trống Mức Fermi của bán dẫn loại p được dịch xuống phía dưới mép vùng hóa trị phụ thuộc vào độ lớn của nồng độ hạt tải loại

p Trong bán dẫn loại p, lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện của bán dẫn loại p do lỗ trống quyết định [1]

Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n là N d và loại p là N a xác định giá trị mức năng lượng Fermi theo các biểu thức:

(

) ( )

( ) ( )

(

) ( )

( ) ( )

Như vậy theo biểu thức (1.3) và (1.5) thì bán dẫn pha tạp loại n có mức năng lượng Fermi tăng dần tiến tới đáy của giải dẫn khi nồng độ pha tạp Nd tăng, ngược lại mức năng lượng Fermi trong bán dẫn loại p lại giảm dần tới đỉnh của

vùng hóa trị khi nồng độ pha tạp N a tăng Hình vẽ 1.3 mô tả hai bán dẫn loại p

và loại n [3]

Hình 1.3 Mức năng lượng Fermi và phân bố mật độ hạt tải trong vật liệu pha tạp: a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p

Khi đã có được hai chất bán dẫn là p và n, nếu ghép hai chất bán dẫn sát nhau ta nhận được một tiếp giáp p – n Tiếp giáp p - n có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n khuyếch tán sang vùng bán dẫn p

để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp ion trung hoà về điện, lớp ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

1.1.2 Sự hấp thụ photon, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong chất bán

dẫn

Khi bơm điện tử vào một cấu hình vật liệu bán dẫn, tùy thuộc vào năng lượng bơm và cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn, điện tử có thể nhảy lên các mức năng lượng khác nhau Thường người ta gọi là hệ hai mức, ba mức, bốn mức năng lượng, …tùy theo số mức năng lượng tồn tại trong hệ mà điện tử có thể chiếm chỗ sau khi bơm Để đơn giản sau đây chúng ta xét hệ hai mức năng lượng

Cho một hệ hai mức năng lượng E1 và E2 Lấy ví dụ khảo sát là vật liệu bán dẫn có một mức năng lượng nằm trong vùng dẫn và mức kia nằm trong

vùng hóa trị Gọi mật độ cư trú hạt tải tại hai mức là N1 và N2 Hiệu năng lượng giữa hai mức sẽ là (trong trường hợp bán dẫn là Eg khi hai mức năng lượng nằm ở đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị):

( ) Một điện tử ở trong trạng thái quá độ dịch chuyển trực tiếp có thể phát xạ hoặc hấp thụ photon Giả sử điện tử ở mức năng lượng E2 nhảy xuống mức E1thì tần số phát xạ photon sẽ là:

( )

Trong điều kiện bình thường chúng ta không quan sát thấy quá trình phát

xạ này vì chúng rất nhỏ Gọi thời gian trung bình của một điện tử tồn tại trong trạng thái quá độ là , xác suất mà điện tử sẽ phát xạ tự phát trong khoảng thời gian dt sẽ là:

( ) Với là tốc độ dịch chuyển tự phát Vì sự phát xạ tự phát mang tính ngẫu nhiên do vậy ánh sáng phát ra không có cùng pha với bước sóng, nói cách khác quá trình phát xạ tự phát sẽ cho ánh sáng không kết hợp

Ngược lại, khi một hay nhiều điện tử ở trong trạng thái quá độ kích thích, khi có một photon kích thích chúng, chúng có thể nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh sáng kết hợp Ánh sáng này có cùng tần số, cùng pha, cùng độ phân cực, phát ra theo một hướng xác định Ánh sáng phát ra lớn hơn nhiều so với ánh sáng kích thích, kết quả là có một quá trình khuếch đại ánh sáng đã xảy ra

1.1.3 Điều kiện nghịch đảo nồng độ trong chất bán dẫn

Khi bán dẫn tinh khiết có lẫn tạp chất ngoài các vùng năng lượng còn xuất hiện các mức năng lượng tạp chất nằm trong vùng cấm Mức tạp chất ở gần đáy cùng dẫn được gọi là mức donor, còn mức tạp chất ở gần đỉnh vùng hóa trị gọi

là mức acceptor Quá trình dịch chuyển của điện tử trong chất bán dẫn cần được phân biệt các trường hợp sau [2]

1.1.3.1 Dịch chuyển giữa các vùng

Để có sự nghịch đảo độ tích lũy cần tạo ra sự chênh lệch nồng độ hạt tải điện electron và lỗ trống, tức là dịch chuyển của electron từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị phải lớn hơn các dịch chuyển eclectron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Hay nói cách khác, quá trình bức xạ lớn hơn quá trình hấp thụ Như vậy điều kiện dịch chuyển giữa các vùng là:

Trong chất bán dẫn trực tiếp:

( ) Trong chất bán dẫn gián tiếp:

( ) Với : năng lượng đáy vùng dẫn

| | ( )

| |: là năng lượng liên kết các hạt tải trên các mức tạp chất

1.2 Laser bán dẫn

1.2.1 Cấu tạo của laser bán dẫn, nguyên tắc hoạt động

Một laser bán dẫn có cấu tạo gồm: buồng cộng hưởng, môi trường hoạt chất và nguồn bơm Trong đó, môi trường hoạt chất là chất bán dẫn được chế tạo trên cơ

sở bởi một tiếp xúc p-n phân cực thuận có dạng hình hộp chữ nhật

- Chiều dài BCH cỡ 0,5-1mm, chiều cao cỡ 0,05-0,1mm

- Hai mặt phẳng giới hạn đối diện được đánh bóng và song song với nhau có vai trò là hai gương phản xạ

Hình 1.4 Cấu tạo của laser bán dẫn

- Các bề mặt còn lại được làm nhám để ngăn ngừa việc phát xạ ở những hướng không mong muốn

- Đế tản nhiệt đặt dưới các lớp bán dẫn làm bằng kim loại

Khi cho hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau, electron từ bán dẫn loại n sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại p Tại đó diễn ra việc tái hợp giữa electron và lỗ trống

Hình 1.5 Sự khuếch tán và tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống

Ngay sau đó, trạng thái cân bằng được thiết lập, tại miền chuyển tiếp p-n mất suy biến Khi đặt điện áp vào mối nối này, bán dẫn p nối với cực dương, bán dẫn n nối với cực âm Giả thuyết điện trở của bán dẫn ở ngoài vùng nghèo (còn gọi là miền trung hòa) là không đáng kể Lúc đó gần như toàn bộ điện áp V đặt vào vùng nghèo, và nó có chiều cùng chiều với điện thế tiếp xúc Điện trường E (do V gây ra) ngược chiều với điện thế tiếp xúc Hàng rào điện thế giảm, cho nên hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ vượt qua vùng nghèo đến miền đối diện Tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo sẽ được giảm đi, làm cho vùng nghèo

bị thu hẹp lại và điện trở vùng nghèo giảm.các e từ vùng n sẽ phun vào vùng p Lúc này, các e phun sẽ tái hợp với h và bức xạ ra photon Electron từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) rơi xuống vùng hóa trị, kết hợp với lỗ trống và phát

ra photon _ tia laser

Như vậy, để tạo ra bức xạ cảm ứng trong mối nối p-n, cần có nghịch đảo mật độ và hệ cộng hưởng

Nghịch đảo mật độ được tạo ra bởi việc tiêm dòng electron và lỗ trống vào mối nối p-n, còn hệ cộng hưởng được thành lập bằng cách mài bóng hai mặt của mối nối p-n Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong hốc cộng hưởng

1.2.2 Điều kiện phát :

Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy là điều điện cần:

| | ( )

Điều kiện này chưa đủ Bức xạ cảm ứng tái hợp cần được khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser làm sao có được hệ số khuếch đại phải lớn hơn hệ

số mất mát Điều kiện đủ là:

*( ) + ( ) : hệ số phản xạ của gương

Laser bán dẫn InGaAsP sử dụng môi trường hoạt chất là vật liệu bán dẫn

có bốn thành phần, trong đó có hai nguyên tố thuộc nhóm III và hai nguyên tố thuộc nhóm V Laser bán dẫn InGaAsP phát ở nhiều dải bước sóng khác nhau và

có nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống

Bảng 1.1 mô tả ứng dụng của laser InGaAsP trong các miền bước sóng

khác nhau

1 1310 nm; 1550 nm Trong thông tin sợi quang

2 1480 nm Nguồn bơm cho khuếch đại quang

5 1625 nm Trong thông tin sợi quang và thiết bị chuyển kênh

1.3 Các phương pháp bơm laser bán dẫn

Để tạo sự nghịch đảo mật độ tích lũy giữa các mức năng lượng trong laser bán dẫn, một số phương pháp cơ bản là [1]:

1.3.1 Bơm quang học

Quá trình bơm có thể được sử dụng ánh sáng bên ngoài, nếu năng lượng photon của nó đủ lớn (>Eg) Các photon bơm được bán dẫn hấp thu, sinh ra các hạt tải electron và lỗ trống Các electron và lỗ trống được sinh ra sẽ dịch chuyển

về đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị Nếu thời gian hồi phục bên trong vùng ngắn hơn nhiều so với thời gian hồi phục giữa vùng-vùng, thì sẽ tạo ra nghịch đảo mật độ cư trú, tạo điều kiện phát ánh sáng tổng hợp Trong thực tiễn, thường

sử dụng chính nguồn laser để kích thích nguồn laser bán dẫn và đồng thời đã chuyển bức xạ laser từ vùng bước sóng ngắn sang vùng sóng dài hơn (bức xạ laser bán dẫn)

1.3.2 Bơm bằng dòng điện

Quá trình bơm này thường dùng để phun cặp electron và lỗ trống vào lớp tiếp xúc PN pha tạp mạnh Khi bơm dòng điện các mức chuẩn Fermi sẽ cách nhau xa hơn, sao cho đảo ngược được mật dộ cư trú mạnh và xảy ra sự khếch đại ánh sáng trong dải năng lượng ở trong toàn miền tích cực (miền quang hoạt) Chiều dài của miền quang hoạt trong vùng chuyển tiếp

là một thông số quang trọng, về cơ bản nó được xác định bởi chiều dài khuếch tán của hạt tải thiểu số ở cả hai phía của lớp chuyển tiếp Giá trị của miền quang hoạt trong laser chế tạo từ InGaAsP có độ lớn cỡ 1 đến 3m Nếu có một dòng điện có cường độ là đi qua diện tích , với và là chiều dài và chiều rộng của dụng cụ và thể tích là , thì tốc độ phun hạt tải trong trạng thái dừng là:

( )