Praktikum Lasertechnik, Protokoll Versuch Halbleiter

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1 Praktikum Lasertechnik, Protokoll Versuch Halbleiter Ort: Laserlabor der Fachhochschule Aachen Campus Jülich Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Fragen zur Vorbereitung 2 3 Geräteliste 2 4 Messung der Eigenschaften 2 5 Temperaturabhängigkeit des Schwellstroms 3 6 Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge 3 1 Einleitung In diesem Versuch wird ein Halbleiterlaser untersucht. Die verwendete Laserdiode emittiert rotes Licht, für den zunächst der Schwellstrom bestimmt wird, um Laserlicht zu sehen. Außerdem wird die Temperaturabhängigkeit dieses Schwellstroms dargestellt. Schließlich wird jeweils ein komplettes Spektrum bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen. 1

2 2 Protokoll Versuch Halbleiter 2 Fragen zur Vorbereitung Halbleiter können mit Hilfe des Bändermodells beschrieben werden. Hierin enthalten sind Leitungs- und Valenzband, die auch beim Halbleiter durch eine Bandlücke voneinander getrennt sind. Ladungsträger können Elektronen oder auch Löcher sein. Wie viele sich im Halbleiter befinden hängt von der Dotierung ab. Hierunter versteht man eine gezielte Verunreinung eines reinen Halbleiter, z. B. Silizium, mit einem Element, welches ein Valenzelektron mehr oder weniger besitzt. Sind mehr Elektronen vorhanden, können... und man spricht von einem n-dotierten Halbleiter. Sind weniger Elektronen vorhanden, leiten die Löcher im p-dotierten Halbleiter. In einer Lichtemittierenden Diode, kurz LED, aber auch bei anderen Dioden, gibt es sowohl p- als auch n-dotierte Halbleiter. Diese sind miteinander verbunden, wobei an der Verbindungsstelle Elektronen aus dem n-dotierten Halbleiter und Löcher rekombinieren. Auftretende Effekte heißen Diffusions- und Drifteffekt. Wird an der p-dotierten Seite eine negative (Gleich-)Spannung angelegt, werden Löcher und Elektronen auseinander gezogen. Hierbei vergrößert sich die Raumladungszone. Umgekehrt können mehr Elektronen-Loch- Paare rekombinieren und zunächst spontane Emission aussenden. Dies ist als inkohärentes Licht einer LED sichtbar. Wird der Strom über einen Schwellstrom I th erhöht, kommt es zur Emission von kohärentem Licht: Stimulierte Emission überwiegt. Beschrieben werden kann dieser Effekt auch in einer Strom-Leistungskennlinie. Hierbei tritt zunächst eine niedrige Steigung im LED-Verhalten auf. Anschließend und auch linear steigt nun die Kurve beim Laserverhalten an. Die Steigung hier wird als differenteller Wirkungsgrad diff = P Licht I bezeichnet. Der Schnittpunkt in Verlängerung Richtung Abszisse bezeichnet den Schwellstrom I th.dieserschwellstromhängtjedochvondertemperaturab.jehöherletztere, desto größer ist auch der Schwellstrom, d.h. die Kennlinie ist zu größeren Strömen parallel verschoben. Hinzukommt eine Temperaturabhängigkeit des Intensitätsmaximums. Als Faustformel kann hierbei 0,2 nm/ angenommen werden. 3 Geräteliste Laserdioden-Steuerung (LDC 200) mit Halbleiterlaser Temperatur-Steuerung (TED 200) Leistungsmessgerät (Spectra Physics) Schreiber bzw. Laborrechner LR1 Kompaktspektrometer 4 Messung der Eigenschaften Bei einer konstanten Temperatur von T =20 C wird der Strom durch die Laserdiode von 0 auf 65 ma langsam erhöht und aufgezeichnet. Das Ergebnis ist im Diagramm 1 im Anhang zu sehen. Das Signal der Photodiode bzw. die Lichtleistung P ist gegen den Strom I LD

3 3 Protokoll Versuch Halbleiter aufgetragen. Mit den eingezeichneten Punkten P 1 (52,3 ma 1 mw) und P 2 (61,7 ma 4 mw) ergibt sich ein differentieller Wirkungsgrad diff = P Licht I = 3 mw 9,4 ma =0,32mW ma. Es zeigt sich ein nicht ganz linearer Anstieg der Kurve. Dies liegt möglicherweise an der ungleichmäßigen Wärmeverteilung im Kristall des Halbleiterlasers. Zudem ist die y-achse nicht ganz linear dargestellt. 5 Temperaturabhängigkeit des Schwellstroms Es wird die Leistung im Bereich von ma jeweils bei den Temperaturen T =20, 30, 40 C gemessen. Im Diagramm 2 im Anhang ist die Leistung erneut in Abhängigkeit des Stroms aufgetragen. Bei Interpolation der Kurve im Lasermodus ergeben sich Schwellströme, wie sie in Tabelle 1 aufgelistet sind. Eine Abhängigkeit der Temperatur ist deutlich erkennbar. T/ C I th /ma 20 49, , ,4 Tabelle 1: Schwellströme in Abhängigkeit der Temperatur aus Diagramm 2 6 Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge Es wird das komplette Emissionsspektrum erneut bei den drei Temperaturen gemessen. Wie in Diagramm 3 im Anhang zu erkennen, verschiebt sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers mit steigender Temperatur hin zu größeren Wellenlängen. Eingezeichnet ist das Maximum, sodass die Fläche rechts und links per Augenmaß etwa gleich groß sind. Der Abfall erfolgt am unteren Ende der Signalskala weit langsamer als der Anstieg, sodass eine statistische Auswertung am Laborrechner nicht sinnvoll ist. Die Wellenlängen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Ein Vergleich der linearen Steigung pro Temperatureinheit zeigt, dass der angegebene Wert in Höhe von 0,2 nm nur leicht unterschritten wird. Das C Einstellen der exakten Temperatur sowie des exakten Stroms an den gegebenen Geräten war äußerst schwierig. Größere Unsicherheiten sind auch hier mit Sicherheit jedoch durch Einzeichnen per Hand vorzufinden. T/ C /nm , , ,4 Temperaturbereich / nm T C C 0, C 0, C 0,185 Tabelle 2: Wellenlängen in Abhängigkeit der Temperatur aus Diagramm 3

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