1 LED (Light Emitting Diode) dioda elektroluminescencyjna LASER
2 Od poziomów energetycznych w atomie do pasm energetycznych w krysztaleEnergia Pasma energetyczne Poziom 1 Poziom 2 Odległość atomów
3 Pasmo, czyli zbiór poziomów energetycznychPoziomy puste (poziom Fermiego) Poziomy zapełnione
4 Funkcja Fermiego dla T>0 K
5 Teoria pasmowa ciała stałegoIzolator Metal Półprzewodnik Energia elektronów Pasmo przewodzenia walencyjne
6 Krzem i jego własności How Semiconductors Work
7 Pasma energetyczne dla krzemuPasmo przewodnictwa Pasmo walencyjne 0 K Poziom Fermiego
8 Typ n „wolny” elektron Pasmo przewodzenia Poziomy donorowePasmo walencyjne Pasmo przewodzenia Poziomy donorowe
9 Typ p Pasmo walencyjne Pasmo przewodzenia Poziomy akceptorowe Dziura
10 Złącze p-n elektron dziura Energia What is a Diode?
11 Polaryzacja w kierunku przewodzenia
12 Polaryzacja w kierunku zaporowymPrąd nie płynie
13 Charakterystyka prądowo napięciowa złącza p-nPolaryzacja zaporowa przewodzenia Napięcie przebicia
14 Diody elektroluminescencyjne - rekombinacja promienista
15 Świecenie na złączu p-nZłącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia Energia emitowanego promieniowania pochodzi z rekombinacji pary dziura–elektron w półprzewodniku Elektron i dziura spotykając się w obszarze złącza mogą ulec rekombinacji promienistej - energia w całości lub większej części jest przekazywana fotonowi i wraz z nim wypromieniowana kierunek przepływu prądu P N + – kierunek ruchu elektronów How Can a Diode Produce Light?
16 Prąd rekombinacji fotonyElektrony o energiach większych od przechodzą do półprzewodnika typu p i tam rekombinują z dziurami. Prąd rekombinacji: Jrec, w kierunku osi x: gdzie B ~ const. E C V m Półprzewodnik typu p Półprzewodnik typu n Dla półprzewodników z przerwą prostą rekombinacja prowadzi do emisji fotonów. fotony
17 dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni. Pojawiła się w latach sześćdziesiątych; wynaleziona przez amerykańskiego inżyniera - Nicka Holonyaka.. Jej działanie opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu. Dioda świecąca, LED (ang. Light Emitting Diode)
18 LED UV – AlGaN Blue – GaN, InGaN Red, green – GaP Red, yellow – GaAsPIR- GaAs
19
20 Semiconductor MaterialLED Color Wavelength (nm) Voltage (V) Semiconductor Material Infrared λ > 760 ΔV < 1.9 Gallium arsenide (GaAs) Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Red 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) Orange 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)Gallium(III) phosphide (GaP) Yellow 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) Green 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) Gallium(III) phosphide (GaP)Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP) Blue 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 Zinc selenide (ZnSe), Indium gallium nitride (InGaN), Silicon carbide (SiC) as substrate, Silicon (Si) Violet 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 Indium gallium nitride (InGaN) Purple multiple types Dual blue/red LEDs,blue with red phosphor,or white with purple plastic Ultra-violet λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 diamond (235 nm), Boron nitride (215 nm) , Aluminium nitride (AlN) (210 nm) Aluminium gallium nitride (AlGaN) (AlGaInN) — (to 210 nm) White Broad spectrum ΔV = 3.5 Blue/UV diode with yellow phosphor 20
21 Emisja spontaniczna i wymuszonaEmisja spontaniczna (dioda LED, żarówka, słońce i in. ) Fotony emitowane są we wszystkich kierunkach z jednakowym prawdopodobieństwem w przypadkowych chwilach. Emitowana fala elektromagnetyczna nie jest spójna. Emisja wymuszona (laser) Wymuszający i emitowany foton mają takie same : częstotliwość kierunek fazę Emitowana fala jest spójna
22 Einstein pokazał, że prócz emisji spontanicznej i absorpcjiistnieje również emisja wymuszona. Absorpcja Emisja spontaniczna wymuszona N2 N1 A. Einstein rozumował: jeżeli oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z prawdopodobieństwem zależnym od ilości fotonów o odpowiedniej energii (natężeniu oświetlania), zaś emisja występuje czysto swobodnie, z prawdopodobieństwem zależnym wyłącznie od wielkości charakteryzujących wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitować foton w wyniku oddziaływania z fotonem, z prawdopodobieństwem zależnym od ilości odpowiednich fotonów, by mogło dojść do równowagi termodynamicznej między pochłanianiem i emitowaniem fotonów. Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.
23 A. Einstein rozumował: jeżeli oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z prawdopodobieństwem zależnym od ilości fotonów o odpowiedniej energii (natężeniu oświetlania), zaś emisja występuje czysto swobodnie, z prawdopodobieństwem zależnym wyłącznie od wielkości charakteryzujących wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitować foton w wyniku oddziaływania z fotonem, z prawdopodobieństwem zależnym od ilości odpowiednich fotonów, by mogło dojść do równowagi termodynamicznej między pochłanianiem i emitowaniem fotonów. Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.
24 Inwersja obsadzeń W przypadku wzbudzeń termicznychW stanie równowagi termodynamicznej zawsze EINSTEIN: Aby zaszła akcja laserowa konieczne jest inwersja obsadzeń: W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być „POMPOWANY” Podstawowe metody pompowania: wyładowania elektryczne, pobudzanie optyczne WSTRZYKIWANIE NOŚNIKÓW (ZŁĄCZE P-N)
25 Laser półprzewodnikowya) Dioda laserująca bez polaryzacji i b) spolaryzowana napięciem równym energii wzbronionej półprzewodnika. Warunek wystąpienia akcji laserowej: półprzewodniki zdegenerowane napięcie polaryzujące równe ~ przerwie wzbronionej
26 Charakterystyki widmowe lasera półprzewodnikowegoponiżej progu wzbudzenia – dioda elektroluminescencyjna powyżej progu wzbudzenia – dioda laserowa 0,851 0,849 0,847 0,845 0,843 0,841 0,839 dioda elektroluminescencyjna dioda laserowa = 0,15 [nm] = 4,5 [nm] [m]
27 pn-junction laser Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation
28 Schemat najprostszego lasera półprzewodnikowegoSchemat najprostszego lasera półprzewodnikowego. Przekrój poprzeczny wiązki laserowej jest elipsą
29 • Ośrodkiem czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik; • Inwersję obsadzeń poziomów energetycznych, uzyskuje się poprzez wstrzykiwanie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku przewodzenia; • Rezonator ma najczęściej kształt prostopadłościanu o rozmiarach rzędu ułamka milimetra; • Sprzężenie optyczne uzyskuje się dzięki parze zwierciadeł prostopadłych do płaszczyzny obszaru czynnego (rezonator Fabry’ego-Perota) lub dzięki specjalnie pofałdowanej powierzchni równoległej do tego obszaru (lasery zrozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB – Distributed FeedBack); • Obszar czynny leży w płaszczyźnie złącza p-n i jest zwykle ograniczony do wąskiego paska ;
30 ŚWIATŁO LASEROWE: - emisja wymuszona: wszystkie fotony w tymŚWIATŁO LASEROWE: - emisja wymuszona: wszystkie fotony w tym samym stanie kwantowym - występuje interferencja ZWYKŁE ŚWIATŁO: -emisja niezależna -nie może interferować -niezależna polaryzacja
31 inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.LASER Unikalne właściwości światła laserowego: mała szerokość linii emisyjnej (duża moc w emisyjnym obszarze widma) łatwo uzyskać wiązkę: spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni o bardzo małej rozbieżności Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.
32 Cechy światła generowanego w procesie emisji wymuszonej we wnęce laserowejpromieniowanie ma tą samą częstotliwość co promieniowanie wymuszające promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszające (fotony emisji spontanicznej emitowane są w przypadkowych kierunkach!!!) promieniowanie ma tą samą fazę co promieniowanie wymuszające
33 Inwersja obsadzeń: Aby osiągnąć współczynnik wzmocnienia G > 1, czyli: emisja wymuszona musi przewyższać absorpcję, Trzeba wytworzyć stan nierównowagowy. N2 > N1 Stan nierównowagowy Równowagowe obsadzenia stanów cząsteczkowych: niska T wysoka T Energia Inwersja Energia Czasteczki Energia Czasteczki “ujemna temperatura” !
34 HEREZJA! Poziom donorowy w obszarze „n” jest wyżej niż granica pasma przewodnictwa w obszarze „i”. Elektrony, gdy tylko przyłoży się niewielkie napięcie, podążą do tego obszaru. Z drugiej strony, w obszarze „p” uczynią to samo dziury. W rezultacie w obszarze „i” uzyska się nagromadzenie elektronów idziur, których rekombinacja daje emisję kwantów promieniowania o ściśle określonej energii. n i p Schemat poziomów energii heterozłącza. Słowo „rekombinacja" można zastąpić wyrażeniem: „zajmowanie przez elektrony z pasma przewodnictwa stanów energetycznych w paśmie walencyjnym”.
35 Warunkiem generacji w każdym laserze jest dodatnie sprzężenie zwrotne, uzyskiwane dzięki zwierciadłom rezonatora. Jeżeli spowodujemy, że światło wyemitowane w złączu p - n zostanie odbite na krawędzi diody i powtórnie zawrócone do półprzewodnika, zostaną wybite dodatkowe elektrony z pasma walencyjnego i przeniesione do pasma przewodnictwa. Wybite elektrony ponownie rekombinują z dziurami w paśmie podstawowym dostarczonymi pod wpływem przyłożonego prądu (czyli wracają do pasma walencyjnego), wysyłając promieniowanie o wartości energii równej energii pasma zabronionego.
36 Laser półprzewodnikowyLasery diodowe Laser półprzewodnikowy z napędu dysków CD Rezonatorem jest kryształ półprzewodnika. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, lasery półprzewodnikowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów. Znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, DVD, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej. Drukarka laserowa
37 Płyta kompaktowa Standardowa płyta CD mieści 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych. Standardowa płyta CD często określana jako audio CD, dla odróżnienia od późniejszych wariantów, przechowuje cyfrowy zapis dźwięku w standardzie zgodnym z „czerwoną książeczką” (ang. red book). Płyty kompaktowe wykonane są z poliwęglanowej płytki o grubości 1,2 mm i średnicy 12 cm pokrytej cienką warstwą glinu (aluminium) w której zawarte są informacje (w postaci kombinacji mikrorowków i miejsc ich pozbawionych). Odczytywane są one laserem półprzewodnikowym (AlGaAs) o długości fali około 780 nm. Zapis tworzy spiralną ścieżkę biegnącą od środka do brzegu płyty. Prędkość obrotowa płyty zmienia się w taki sposób, że stała jest prędkość liniowa głowicy odczytującej względem ścieżki i zawiera się w zakresie od 1,2 do 1,4 m/s. Odczyt płyty odbywa się od środka na zewnątrz, a prędkość obrotowa maleje wraz z czasem odczytu – im ścieżka bardziej odległa od środka płyty, tym prędkość obrotowa jest mniejsza. Dane zapisane są w postaci wgłębień (ang. pit) oraz pól (ang. land), czyli przerw pomiędzy wgłębieniami. Każda zmiana stanu z wgłębienia na pole jest odczytywana przez układ optyczny jako 1, brak zmiany jako 0. Wgłębienie ma około 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość waha się od 850 nm do 3.5 µm. Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość: od 850 nm do 3.5 µm
38 Ciekawostki: Płyta kompaktowaStandardowa płyta CD mieści 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych. Ciekawostki: Długość ścieżki zapisanej na płycie CD wynosi około 50 kilometrów. Średnica płyty CD (12cm), która pozwala na nagranie 74 minut dźwięku, została dobrana tak, aby zmieściła się na niej cała IX Symfonia Ludwiga van Beethovena. Od czasu wprowadzenia płyt CD, na całym świecie sprzedano ponad 200 miliardów egzemplarzy tego nośnika. Wystarczająco dużo, aby płyty ułożone jedna na drugiej opasały Ziemię sześć razy. Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość: od 850 nm do 3.5 µm
39 Drukarka laserowa Zasada druku: W większości drukarek wykorzystywana jest "klasyczna" technika druku, polegająca na polaryzowaniu za pomocą promienia laserowego odpowiedniego miejsca na powierzchni wstępnie naelektryzowanego światłoczułego bębna pokrytego warstwą OPC (organic photoconducting cartridge) lub krzemu amorficznego. Źródłem światła jest zazwyczaj dioda laserowa emitująca światło przerywane w taki sposób, aby niosło informację odpowiadającą kolejnym bitom danych do wydruku. Przez soczewkę światło kierowane jest na wielokątne obrotowe zwierciadło. Dzięki obrotom lustra poszczególne błyski odbijane są pod różnymi kątami i trafiają w kolejne punkty danej linii obrazu tworzonego na bębnie.
40 Drukarka laserowa Zasada druku: Powierzchnia bębna musi być naładowana. Dlatego przykłada się wysokie napięcie do specjalnych szczotek. W ten sposób powstaje pole jonizujące, obejmujące jego ruchomą część. Powierzchnia bębna jest omiatana światłem lasera lub światłem pochodzącym z zestawu diod LED, modulowanym na podstawie obrazu strony przechowywanego w pamięci drukarki. W efekcie naświetlone fragmenty bębna drukującego zmieniają swoje właściwości elektryczne, otrzymując ładunek dodatni.
41 Filmy: Laser Nadajnik Odbiornik