Chương 3

MÁY PHÁT

3/2/2019

1


Nội dung của chương 3


3/2/2019

Nguyên lí phát xạ ánh sáng,



Cấu tạo và đặc điểm của LED



Cấu tạo và đặc điểm Laser Diode



Các ứng dụng LED và Laser.

2

Đặc điểm chung của LED và Laser
LED

Laser

hoạt động theo cơ chế phát xạ hoạt động theo cơ chế phát xạ
tự phát
kích thích
phát ra ánh sáng o kết hợp

phát ra ánh sáng kết hợp

có cấu trúc dị thể kép để giam có cấu trúc dị thể kép để giam
hạt mang trong buồng cộng
hạt mang trong buồng cộng
hưởng
hưởng
khơng có gương phản xạ

có 2 gương phản xạ +cơ chế
bơm để giam và khuếch đại
photon tạo ra ánh sáng kết hợp
cường độ cao

có phổ rộng: vài chục nm

có phổ hẹp: (0,05-0,1) nm

3/2/2019


3


Nguyên lý phát xạ ánh sáng

3/2/2019

4


Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp

3/2/2019

5


Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp
Ví dụ 3.1:
Silicon là vật liệu bán dẫn rất thích hợp đối với ngành điện tử.
Tuy nhiên do cấu trúc vùng cấm gián tiếp nên nó khơng được sử
dụng để tạo ra các nguồn phát quang. Nếu nó có vùng cấm trực
tiếp thì cơng nghệ tích hợp mạch điện-quang sẽ xuất hiện sớm
hơn. Vật liệu chế tạo nguồn quang thế hệ thứ nhất là GaAs. Năng
lượng vùng cấm của nó là 1,43 eV tại nhiệt độ 300 K. Từ biểu
thức (3.2) ta có:

c ch 3 108  6,6251034
 


 870 nm.
19
f Eg
1,43 1,6 10

3/2/2019

6


Cấu trúc dị thể
Một cấu trúc dị thể là một mối nối của 2 vật liệu có năng lượng
vùng cấm (bandgap) khác nhau. Do đó, người ta cịn gọi là mối
nối dị thể.
Một mối nối dị thể n-P (dùng chữ P hoa để chỉ tên vật liệu có độ
rộng vùng cấm lớn hơn) được biểu trên hình vẽ-. Do mức năng
lượng tại mối nối dị thể khác nhau nên sẽ xuất hiện điểm nhảy
trong dải hố trị như hình vẽ.

3/2/2019

7


Cấu trúc dị thể kép, sơ đồ hình học
và giản đồ năng lượng

Sơ đồ hình học của cấu trúc dị thể kép

Giản đồ năng lượng của cấu trúc dị thể kép

3/2/2019

8


Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp

Quan hệ giữa tham số mạng và năng lượng vùng cấm của họ hợp chất
III-V [1]
3/2/2019

9


Tham số mạng và năng lượng vùng cấm
Ví dụ 3.2:
Khảo sát Laser InGaAsP với lớp
vỏ InP. Hình 3.6 chỉ ra rằng InP

có tham số mạng bằng 5,9.
1010 nm. Để lớp tích cực
InGaAsP tại bước sóng 1,5 m

và có cùng tham số mạng, chúng
ta cần hợp chất
In1xGaxAsyP1y trong vùng

được tô đậm.
3/2/2019


10


Vật liệu có dải cấm trực tiếp và gián tiếp
Chú ý đường nối InAs và InP
biểu diễn InAsyP1y và đường
nối InAs và GaAs biểu diễn
In1yGayAs. Vì thế, nếu
In1yGayAs được dùng thay vì

lớp tích cực thì bước sóng phát
ra xấp xỉ giá trị 2 m với y 
0,4.
3/2/2019

11


Cấu trúc LED phát xạ mặt

Sơ đồ cấu trúc của LED phát xạ mặt
3/2/2019

12


Cấu trúc LED phát xạ mặt

3/2/2019


13


Cấu trúc LED phát xạ cạnh

Sơ đồ cấu trúc của LED phát xạ cạnh
3/2/2019

14


Cấu trúc LED phát xạ cạnh

3/2/2019

15


Độ rộng đường của LED
Biểu thức liên hệ giữa bước sóng và tần số được biểu diễn:
c
Đạo hàm hai vế theo ta được:
f 
df
c

 2
d

Gọi là độ rộng đường thì độ rộng phổ được xác định:

f  c
  c



2

f
f2

tương tự
Ví dụ bằng số: Độ rộng đường của LED AlGaAs xấp xỉ bằng
30nm. Hoạt động ở bước sóng bằng 870nm thì tương ứng với
độ rộng đường như sau:
9

30
.
10
f  c 2  3.108
 12.000GHz
9 2

( 870.10 )
3/2/2019

16


Độ rộng phổ của LED

Ví dụ 3.3:
Độ rộng đường của LED AlGaAs xấp xỉ bằng 30 nm. Hoạt động
ở bước sóng bằng 870 nm thì tương ứng với độ rộng phổ như

30  109
sau:
8
f  c 2  3  10
 12000
9 2

(870  10 )
MHz
Chú ý độ rộng phổ 12000 GHz là quá lớn so với hầu hết các
băng tần cơ sở của các tín hiệu. Do đó, loại diode này khơng
dùng để điều chế tín hiệu theo phương pháp điều tần và điều pha
được. Trong thực tế, người ta chỉ sử dụng phương pháp điều biên
cho các LED.
3/2/2019

17


Độ rộng phổ của LED
Ví dụ 3.4:
Đối với LED AlGaAs ở 300 0K thì f được tính như sau:
2kT 2  1,38  1023  300
f 

 12400

34
h
6,62  10

GHz.

Nó xấp xỉ với giá trị đã tính ở trên.
Do LED là nguồn phát ra ánh sáng khơng kết hợp, có độ rộng phổ
lớn nên thường được dùng cho các hệ thống thông tin quang Rb<
200 Mbit/s, trong các mạng nội hạt, khoảng cách truyền dẫn ngắn.
Tuy nhiên, LED có ưu điểm là giá thành thấp, cơng suất quang
đầu ra ít phụ thuộc vào nhiệt độ và thường chúng có mạch điều
khiển đơn giản.
3/2/2019

18


Sự tái hợp và phát xạ phô ton
trong Laser Diode bán dẫn

3/2/2019

19


Khuếch đại quang dương:
nghịch đảo tích luỹ
Ở trạng thái cân bằng, hạt mang có cùng tốc độ giữa hai trạng
thái. Theo biểu thức Einstein:


A21 N 2  B21 N 2 S  B12 N 1 S  RP
S: mật độ năng lượng phô ton [joule/m3.Hz], N1 và N [1/m3]:
mật độ hạt mang ứng với mức năng lượng E1 và E2. B12 là hệ số
tốc độ hấp thụ kích thích, B21 là hệ số tốc độ phát xạ kích thích,
A21 là hệ số tốc độ phát xạ tự phát [1/s]. RP là tốc độ bơm bên
ngoài trong một đơn vị thể tích [1/m3sec]. Do đó, vế trái của
biểu thức (3.4) biểu diễn tốc độ toàn phần từ E2 đến E1, và vế
phải là tốc độ toàn phần từ E1 đến E2.
3/2/2019

20


Khuếch đại quang dương:
nghịch đảo tích luỹ
Suy ra ở trạng thái cân bằng, khi khơng có bơm bên ngồi
A21 / B21
8hf 3 n 3
1
(RP=0):
S

( hf / kT )
3
( B12 N1 / B21 N 2 )  1
c
eB  B  1
12


21

Trong đó, biểu thức bên phải được rút ra từ phân bố phát xạ vật
đen (black-Body) Planck-Boltzmann.
Trong biểu thức trên ta đã thay

A21 / B21  8hf 3 n 3 / c 3

B12  B21

trong đó n là chiết suất của môi trường.
Để tăng tốc độ phát xạ, cần tăng cường độ ánh sáng S. Cường độ
ánh sáng tăng tỉ lệ với hiệu số giữa tốc độ phát xạ kích thích và
tự phát.
3/2/2019

21


Khuếch đại quang dương:
nghịch đảo tích luỹ(tt)
Vì vậy, để tăng cường độ ánh sáng ta phải có: ( B21 N 2  B12 N1 ) S
:nghịch đảo độ tích luỹ (nghịch đảo dân số)
và yêu cấu N2>N1 khi B12 = B21 . Để đạt được nghịch đảo tích
luỹ, thì bơm bên ngồi cần có tốc độ RP lớn hơn tốc độ phát xạ tự
phát.
B21 N 2  B12 N1
RP  A21 N 2
S
B21 N 2  B12 N1

(*)
Trong LED, do mất mát trong hốc lớn nên các phô ton tạo ra
khơng đủ lớn do đó khơng thoả mãn điều kiện (*) không tạo ra
cường độ ánh sáng đủ lớn.

Do S>0, nên RP cần>(A21N2) khi

3/2/2019

22


Giam ánh sáng trong buồng cộng hưởng

3/2/2019

23


Laser cổ điển Fabry-Perot
Khoảng cách giữa các mode dọc liên tiếp
Quan hệ giữa chiều dài L của buồng cộng hưởng và bước sóng
của mode dọc:
2 Ln

m 

m

n: chiết suất mơi trường

 m :bước sóng của mode dọc thứ m.
Khi m là một số nguyên lớn thì khoảng cách giữa 2 mode dọc
liên tiếp được biểu diễn:

doc

3/2/2019

2m
1
1
1
 m  m1  2 Ln{ 
}  2 Ln 2 
m m 1
2 Ln
m
24


Sự phụ thuộc Laser Diode vào nhiệt độ

3/2/2019

25