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Halbleiterlaser
Seminar Laserphysik 17.06.15
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Gliederung
a) Halbleiter– Eigenschaften– Dotierung– pn – Übergang– LED
b) Diodenlaser– Ladungsinversion– Bauformen– Strahlprofil– Leistungsangaben
c) Anwendungsgebiete
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a) Halbleiter: Eigenschaften
Einfachstes Modell: Freies Elektronengas
Zustandsdichte:
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a) Halbleiter: Eigenschaften
Modifiziert durch:• Periodizität des Kristalls
• Gitterpotential
Bandstruktur im ImpulsraumBandstruktur von Galliumarsenid
(Angus Rockett, 2008)
Egap
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Elektronen und Löcher
a) Halbleiter: Eigenschaften
(Bolzmann – Näherung)
(Für nicht dotierte HL)(Hunklinger Siegfried, 2009)
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Fermienergie: Höchste Energie eines Elektrons im Grundzustand des Gesamtsystems
a) Halbleiter: Eigenschaften
Aus n = p folgt:
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Direkte und Indirekte Halbleiter
a) Halbleiter: Eigenschaften
(Angus Rockett, 2008)
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Dotieren: Gezieltes Einbringen von Fremdatomen zur Veränderung der Ladungsträgerdichte
a) Halbleiter: Dotierung
Wasserstoffmodell:
(Hunklinger Siegfried, 2009)
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a) Halbleiter: Dotierung
Fermienergie in dotierten Halbleitern:
Tendenz in Richtung des Donator/Akzeptorniveaus
Starke Dotierung verschiebt Fermienergie in Leitungs‐ bzw. Valenzband
(Hunklinger Siegfried, 2009)
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Selbes Material, unterschiedliche Dotierung
a) Halbleiter: p‐n ‐ Übergang
• Unterschiedliche Ladungsträgerkonzentration• Unterschiedliche Fermienergie
(Hunklinger Siegfried, 2009)
Resultat: Diffusionsstrom
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Räumliche Ladungstrennung erzeugt Spannung
a) Halbleiter: p‐n ‐ Übergang
Kompensation des Diffusionsstroms durch Feldstrom
Feldstrom nahezu unabhängig von Diffusionsspannung
(Hunklinger Siegfried, 2009)
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Spannung am p‐n‐ Übergang
a) Halbleiter: p‐n ‐ Übergang
Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Diffusionsspannung
Durchlassrichtung Sperrrichtung
Quasiferminiveaus(Hunklinger Siegfried, 2009)
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a) Halbleiter: p‐n ‐ Übergang
(Hunklinger Siegfried, 2009)
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Betrieb in Durchlassrichtung
a) Halbleiter: Leuchtdiode
hνRekombination nach Rekombinationszeit
Für GaAs ist Rekombinationslänge
Spontane Emission!
(Bei GaAS ca. 1ns)
(Hunklinger Siegfried, 2009)
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Wie erreicht man Ladungsinversion an Bandkanten?
b) Diodenlaser
Starke Dotierung benötigt!
(Hunklinger Siegfried, 2009)
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Verstärkung ist spannungs‐ bzw. stromabhängig
b) Diodenlaser
Größe der Bandlücke bestimmt Wellenlänge
(Jürgen Eichler, 2006)(Jürgen Eichler, 2006)
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b) Diodenlaser: Bauformen
Einfachste Bauform:
Homostruktur
Nachteile:• Hoher Injektionsstrom• Kontinuierlicher Betrieb _nicht möglich
(Jürgen Eichler, 2006)
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b) Diodenlaser: Bauformen
Doppel‐Heterostruktur
Verhinderter Abfluss von Ladungsträgern(electrical confinement)
Verbesserte Strahlführung durch unterschiedliche Brechungsindizes
(optical confinement)• Stark verringerter Injektionsstrom• Dauerbetrieb
(Jürgen Eichler, 2006)
(Jürgen Eichler, 2006)
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Weitere Typen:
b) Diodenlaser: Bauformen
Horizontal‐cavity surface‐emittingLaser (HCSEL)
Quantengrabenlaser
Oberflächenemitter (VCSEL )
(Jürgen Eichler, 2006)
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b) Diodenlaser: Strahlprofil
Zonendicke << Zonenbreite
Elliptisches Strahlprofil
Für Kantenemitter:
(Jürgen Eichler, 2006)
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b) Diodenlaser: Ausgangsleistung
Typische Leistungen im unteren Wattbereich (Einzelemitter)
Ausgangsleistung stark abhängig von:• Anliegender Spannung• Temperatur
(Jürgen Eichler, 2006)
Zusammenfassen vieler Einzelemitter zur Leistungssteigerung
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b) Diodenlaser: Anwendung
Enorme wirtschaftliche Bedeutung
Informationsübertragung Datenspeicherung PumplaserMaterialbearbeitung Laserdrucker Sensortechnik Scanner
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• Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, Jürgen Eichler, Joachim Eichler, 2006
• Festkörperphysik, Hunklinger Siegfried, 2009• Laser Physics, Peter Milonni, Joseph Eberly, 2010• The Materials Science of Semiconductors, Angus Rockett, 2008• http://www.roithner‐laser.com/
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit
Quellenangabe