close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовая (2)

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Курский государственный технический университет"
Кафедра __________________________________________________________
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине "____________________________________________________"
(наименование учебной дисциплины)
на тему "____________________________________________________________
___________________________________________________________________"
Автор работы ____________________________ _________________________
(инициалы, фамилия) (подпись, дата) Специальность (направление подготовки)________________________________
(код, наименование)
____________________________________________________________________
Группа ___________
Руководитель работы _______________________ _______________________
(инициалы, фамилия) (подпись, дата)
Работа защищена ________________________ (дата)
Оценка_____________________
Председатель комиссии _________________________ ____________________
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
Члены комиссии _________________________ __________________________
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
_________________________ __________________________
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
_________________________ __________________________
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
Курск, 20 ___ г.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Курский государственный технический университет"
Кафедра __________________________________________________________
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ (ПРОЕКТ)
Студент _________________________ шифр ____________ группа ___________
(фамилия, инициалы)
1. Тема _____________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
2. Срок представления работы (проекта) к защите "_____" ___________ 20 ___ г.
3. Исходные данные (для проектирования, для научного исследования): ____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
4. Содержание пояснительной записки курсовой работы (проекта):
4.1._________________________________________________________________
4.2._________________________________________________________________
4.3._________________________________________________________________
4.4._________________________________________________________________
4.5._________________________________________________________________
4.6._________________________________________________________________
4.7._________________________________________________________________
5. Перечень графического материала (если предусмотрено заданием): ____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Руководитель работы (проекта) ____________________ ____________________(подпись, дата)(инициалы, фамилия)
Задание принял к исполнению ____________________________
(подпись, дата)
Введение
В данной курсовой работе речь пойдет о полупроводниковых лазерах, об их устройстве, принципе работы, а так же о том, где применяются полупороводниковые лазеры. В 1954 г. советскими физиками Прохоровым и Басовым и американским физиком Таунсом были созданы генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.
В 1960 г. был создан первый квантовый генератор оптического диапазона Мейманом. Новый прибор получил название лазер по первым буквам "Light Amplification by stimulated emission of radiation" (Усиление света с помощью индуцированного излучения). В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. В 1961 г. появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот). А в 1962 г. одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.
Полупроводниковые лазеры получают все более широкое практическое применение. Они экономичны, компактны, имеют высокое быстродействие и может быть интегрирован с другими полпроводниковыми приборами в монолитных схемах. Массовые масштабы имеет их использование в волоконно-оптических системах передачи информации. Круг специалистов в данной области постоянно расширяется.
1.Полупроводниковые лазеры.
Перед тем, как мы начнем говорить о принципе работы полупроводниковых лазеров, необходимо вспомнить о полупроводниках.
Энергетический спектр идеального полупроводникового кристалла (кристалл без дефектов и примесей) состоит из зоны проводимости и валентной зоны которые разделены между собой зоной запрещенных состояний. В валентной зоне и зоне проводимости энергетические состояния электронов образуют почти непрерывный спектр. В идеальном полупроводнике все электроны находятся в валентной зоне при T=0 К, зона проводимости полностью свободна от электронов, полупроводник не может проводить электрический ток и является изолятором. При T≠0 часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате такого перехода в валентной зоне появляются свободные места - дырки. Дырка эквивалентна частице с положительным зарядом. Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно эта особенность привела к созданию p-n-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использование рассмотренных процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, позволило создать новые классы приборов - светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти приборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьма широки - от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью, - светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры - в когерентное излучение оптического диапазона.
Для того чтобы система могла излучать, ее необходимо привести в неравновесное состояние. Для этого используют следующие способы: Облучение полупроводника внешним излучением достаточно высокой частоты (oптический метод возбуждения);
Облучение полупроводника электронным пучком; Использование внешнего электрического поля. Переход к равновесному состоянию происходит благодаря рекомбинации. Энергия, освобождающаяся при рекомбинации, реализуется в виде одного из трех основных процессов: рождения фотона (излучательная рекомбинация), нагревания решетки, т.е. образования фононов (фононная рекомбинация) и увеличения кинетической энергии свободных носителей. Нас интересует излучательная рекомбинация, которая в полупроводнике может происходить в результате межзонных переходов и переходов из зоны на примесный уровень или через оба примесных уровня. Самый яркий пример использования излучательной рекомбинации в полупроводниковых устройствах - свет, производимый светодиодами. Среди оптических квантовых генераторов важную роль играют полупроводниковые лазеры. Использование полупроводников в качестве активной среды позволяет непосредственно преобразовать электрическую энергию в энергию светового излучения. Полупроводниковые лазеры имеют высокий КПД и позволяют сравнительно просто осуществлять модуляцию.
Первый полупроводниковый лазер был выполнен Холом в 1962 г. на арсениде галлия (GaAs). Лазер на арсениде галлия относится к инжекционным лазерам на p-n-переходе. Чаще всего плавные р-n-переходы создают путем диффузии акцепторных примесей (цинк, кадмий и др.) в материал, легированный донорными примесями (теллур, селен и др.).
Рис.1.1. Схема устройства полупроводникового лазера на арсениде галлия (а) и распределение интенсивности излучения лазера в поперечном сечении (б)
Отличительной чертой всех полупроводниковых лазерных материалов является очень высокий по сравнению с другими лазерными материалами (кристаллы, жидкости, газы) коэффициент усиления ЭМ излучения. Благодаря этому удается выполнить условие генерации для миниатюрных полупроводниковых образцов. Полупроводниковый лазер на арсениде галлия показан на рис.1(а).Для получения генерации две противоположные поверхности полупроводника полируют и делают плоскопараллельными, а для того, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях, две другие оставляют грубо обработанными. Обычно обе отражающие поверхности не имеют отражающих покрытий, т.к. показатель преломления полупроводника достаточно большой и от полированных торцов отражается примерно 35 % падающего излучения. Активная область представляет собой слой толщиной около 1мкм, т.е. немного больше запирающего слоя (примерно 0,2мкм). В свою очередь поперечные размеры лазерного пучка гораздо больше (около 40мкм) толщины активной области рис.1(б). Следовательно, лазерный пучок занимает довольно большое пространство в р- и n- областях. Однако, поскольку поперечные размеры пучка все же относительно невелики, выходное излучение имеет расходимость несколько градусов. Кроме лазера на арсениде галлия, применяются и другие типы полупроводниковых лазеров. Крупные успехи в разработке полупроводниковых лазеров связаны с появлением инжекционных лазеров на гетеропереходах. Так называют сложные p-n-структуры, состоящие из полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны.
На этом закончим рассмотрение различных типов лазеров. Мы обсудили лишь некоторые из наиболее широко используемых лазеров. В действительности же их число значительно больше.
Итак, в чем же главное отличие полупроводниковых лазеров от газовых и твердотельных? Оно заключается в том, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.
2.Двойные гетероструктуры
Полупроводниковые гетероструктуры лежат в основе конструкций современных транзисторов, приборов квантовой электроники, СВЧ-техники, электронной техники для систем связи, телекоммуникаций, вычислительных систем и светотехники[1].
Что же такое гетероструктура? Основным элементом гетероструктур является гетеропереход. Гетеропереход это контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Важнейшим отличием гетеропереходов от простых p-n- переходов связано со скачкообразным изменением ширины запрещенной зоны на границе раздела двух полупроводников [2]. Рис 2.1. Упрощенные графики пространственного изменения ширины запрещенной зоны:
1 - простой p - n-гетеропереход; 2 - односторонняя гетероструктура с p - n-переходом; 3 - двусторонняя гетероструктура с p - p- и p - n- гетеропереходами; 4 - двусторонняя гетероструктура с p - n- переходом и двумя гетеропереходами; 5 - гетероструктура с раздельными электронным и оптическим ограничениями.
Величина скачка запрещенной зоны равна сумме разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны:
∆E_g=∆E_c0+∆E_v0
Для создания лазерных гетеропереходов наиболее подходящая пара полупроводников: AlAs - GaAs, потому что постоянные кристаллической решетки этих материалов весьма близки (0,566 нм и 0,565 нм соответственно).
Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в гетероструктурах (многослойных полупроводниковых структурах). Различают два вида гетеропереходов:
1. Изотипный гетеропереход - гетеропереход образован двумя полупроводниками одного типа проводимости.
2. Анизотипный гетеропереход - гетеропереход образован полупроводниками с разным типом проводимости.
Итак, гетероструктура - это искусственная структура, созданнаяная из двух или более различных полупроводниковых веществ, в которой важная роль принадлежит переходному слою, т. е. границе раздела двух веществ (материалов). Проще говоря, гетероструктура - полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами.
Идея использования структур с гетеропереходами в полупроводниковой электронике была выдвинута уже на заре развития электроники. На ранней стадии изучения гетероструктур важный теоретический вклад в исследования внесли Г.Кремер и Ж.И.Алфёров. В 1963 г. Ж.И.Алфёров и Г.Кремер независимо сформулировали конценцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетероструктуры.
Схематически зонная диаграмма двойной гетероструктуры изображена на рис. 2.2.
Рис.2.2. Зонная диаграмма двойной гетероструктуры: внутри полупроводника с большей шириной запрещенной зоны содержится слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. E_с - край зоны проводимости, E_v - край валентной зоны. Незаштрихованная часть рисунка между кривыми E_v и F_p - область, заполненная дырками, заштрихованная часть между кривыми E_c и F_n- область, заполненная электронами. F_p - положение уровня Ферми для дырок. F_n - положение уровня Ферми для электронов.
Список литературы
1. Щука А.А. Наноэлектроника. М.:Физматкнига, 2007. - 464 с.
2. Грибковский В.П. Полупроводниковые лазеры. Мн: Унивирситетское, 1988. - 304 с.
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
249
Размер файла
168 Кб
Теги
курсовая
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа