Halbleiterlaser. Seminar Laserphysik

Transkript

1 Halbleiterlaser Seminar Laserphysik

2 Gliederung a) Halbleiter Eigenschaften Dotierung pn Übergang LED b) Diodenlaser Ladungsinversion Bauformen Strahlprofil Leistungsangaben c) Anwendungsgebiete

3 a) Halbleiter: Eigenschaften Einfachstes Modell: Freies Elektronengas Zustandsdichte:

4 a) Halbleiter: Eigenschaften Modifiziert durch: Periodizität des Kristalls Gitterpotential Egap Bandstruktur von Galliumarsenid (Angus Rockett, 2008) Bandstruktur im Impulsraum

5 a) Halbleiter: Eigenschaften Elektronen und Löcher (Bolzmann Näherung) (Für nicht dotierte HL) (Hunklinger Siegfried, 2009)

6 a) Halbleiter: Eigenschaften Fermienergie: Höchste Energie eines Elektrons im Grundzustand des Gesamtsystems Aus n = p folgt:

7 a) Halbleiter: Eigenschaften Direkte und Indirekte Halbleiter (Angus Rockett, 2008)

8 a) Halbleiter: Dotierung Dotieren: Gezieltes Einbringen von Fremdatomen zur Veränderung der Ladungsträgerdichte Wasserstoffmodell: (Hunklinger Siegfried, 2009)

9 a) Halbleiter: Dotierung Fermienergie in dotierten Halbleitern: (Hunklinger Siegfried, 2009) Tendenz in Richtung des Donator/Akzeptorniveaus Starke Dotierung verschiebt Fermienergie in Leitungs bzw. Valenzband

10 a) Halbleiter: p n Übergang Selbes Material, unterschiedliche Dotierung Unterschiedliche Ladungsträgerkonzentration Unterschiedliche Fermienergie Resultat: Diffusionsstrom (Hunklinger Siegfried, 2009)

11 a) Halbleiter: p n Übergang Räumliche Ladungstrennung erzeugt Spannung Kompensation des Diffusionsstroms durch Feldstrom Feldstrom nahezu unabhängig von Diffusionsspannung (Hunklinger Siegfried, 2009)

12 a) Halbleiter: p n Übergang Spannung am p n Übergang Durchlassrichtung Sperrrichtung Quasiferminiveaus (Hunklinger Siegfried, 2009) Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Diffusionsspannung

13 a) Halbleiter: p n Übergang (Hunklinger Siegfried, 2009)

14 a) Halbleiter: Leuchtdiode Betrieb in Durchlassrichtung Rekombination nach Rekombinationszeit (Bei GaAS ca. 1ns) hν Für GaAs ist Rekombinationslänge Spontane Emission! (Hunklinger Siegfried, 2009)

15 b) Diodenlaser Wie erreicht man Ladungsinversion an Bandkanten? Starke Dotierung benötigt! (Hunklinger Siegfried, 2009)

16 b) Diodenlaser Verstärkung ist spannungs bzw. stromabhängig Größe der Bandlücke bestimmt Wellenlänge (Jürgen Eichler, 2006) (Jürgen Eichler, 2006)

17 b) Diodenlaser: Bauformen Einfachste Bauform: Homostruktur Nachteile: Hoher Injektionsstrom Kontinuierlicher Betrieb _nicht möglich (Jürgen Eichler, 2006)

18 b) Diodenlaser: Bauformen Doppel Heterostruktur (Jürgen Eichler, 2006) Verhinderter Abfluss von Ladungsträgern (electrical confinement) Verbesserte Strahlführung durch unterschiedliche Brechungsindizes (optical confinement) (Jürgen Eichler, 2006) Stark verringerter Injektionsstrom Dauerbetrieb

19 b) Diodenlaser: Bauformen Weitere Typen: Quantengrabenlaser Horizontal cavity surface emitting Laser (HCSEL) Oberflächenemitter (VCSEL ) (Jürgen Eichler, 2006)

20 b) Diodenlaser: Strahlprofil Für Kantenemitter: Zonendicke << Zonenbreite Elliptisches Strahlprofil (Jürgen Eichler, 2006)

21 b) Diodenlaser: Ausgangsleistung Typische Leistungen im unteren Wattbereich (Einzelemitter) Ausgangsleistung stark abhängig von: Anliegender Spannung Temperatur (Jürgen Eichler, 2006) Zusammenfassen vieler Einzelemitter zur Leistungssteigerung

22 b) Diodenlaser: Anwendung Enorme wirtschaftliche Bedeutung Informationsübertragung Datenspeicherung Pumplaser Materialbearbeitung Laserdrucker Sensortechnik Scanner

23 Quellenangabe 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, laser.com/ Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit