WALTER SCHOTTKY INSTITUT

WALTER SCHOTTKY INSTITUT
Lehrstuhl für Halbleitertechnologie
Prof. Dr.-Ing. M.-C. Amann
Lösung Probeklausur
OPTOELEKTRONIK 1
SS2010
1. LED (25 Punkte)
a) Berechnung:
(Druckverspannung mit negativen ε ⇒ Bezug auf die Schicht
positiven ε ⇒ Bezug auf das Substrat
ε
a
a
a
1
⇒a
a
a
x∙y∙a
x∙ 1
0.5952 nm
y ∙a
y∙ 1
mit 1-y (Phosphoranteil) = 0.4 ⇒ y
x ∙a
1
0.6
0.5952 nm
x ∙ 0.041 nm
⇒x
⇒ Ga
ε
.
0.5982 nm
0.073 7.3 %
In . As . P .
b) Berechnung:
E
⇒λ
∂E
∂λ
∂ hc
∂λ λ
3.15
0.787 eV
1.576 μm
hc
⇒ ∆E
λ
hc
∆λ
λ
Ja, die spektrale Breite ist Abhängig von der Wellenlänge λ
Thermische Verbreiterung der Fermiverteilungen, ∆E ~ 1.8 k T
x ∙ 1
y ∙a
c) Berechnung:
η
mit N
η
η
∙η
AN
BN
BN
CN
Ne
0.626
6 ∙ 10
1
0.0208
n
1 n
⇒η
1.3 %
η
d) Berechnung:
1
222 MHz
3.6 ∙
Typische Grenzfrequenzen einer Laserdiode: 1-5 GHz
(VCSEL > 10 GHz)
f
Modulation einer LED: (Ladungsträgerlebensdauer begrenzt Modulation)
im Bereich von ns
Modulation einer Laserdiode: (Photonenlebensdauer begrenzt Modulation aufgrund
von optischem Feedback des Resonators) im Bereich von ps
2. Laser (16 Punkte)
a) Berechnung:
∂P
∂I
aus Graphen ablesen
⇒η
1α
2α
0.7 mW
2 mA
∂P e
∂I hf
0.35 W
A
hf α
2e α
0.246
b) Berechnung:
W
∙2 ∙ α
α
hf ∙ α
A
9.72 cm
⇒α
1
1
α
ln
⇒
0.33
L
R
⇒ 0.35 c) Berechnung:
α′
⇒η
1
α
2
1
1 2α
21α
α
2
0.163
η wird kleiner da weniger ausgekoppelt wird, bei gleichen internen Verlusten
d) Berechnung:
I ∙e
I
T0 gibt Anderung des Schwellstroms über Temperatur an, hohes T0 bedeutet thermisch
stabiler
I
42 mA
I
I ∙e
42 mA I ∙ e
305K 300K
102 K
42 mA
ln
40 mA
⇒T
e) Berechnung:
j
⇒
ö
L
(6.59) j
j
,
L ⇒α
,
,
α
,
e∙d∙R N
e ∙ d ∙ B ∙ N (A = C = 0)
α
α
e ∙ d ∙ B ∙ N
Γ∙a
⇒j
3. Wellenleiter (5 Punkte)
Berechnung:
k d
2
R
⇒
⇒β
k
k
β
k
n
1
1
1
0.228
und n
λ
2
2π n
n
⇒Γ
0.573
0.2 ∙
2.26 ∙ 10 m
d
n
d
d
3.605
185 nm
0.397
4. Fragen aus der Optoelektronik (14 Punkte)
a) Die LED aus Aufgabe 1 soll mit einer Antireflexionsschicht verbessert werden, da
eine Antireflexionsschicht
den Winkel der
Totalreflexion erhöht.
den Reflexionskoeffizient
erniedrigt.
den internen
Quantenwirkungsgrad
erhöht.
b) Eine Reduzierung der Reflexion an den Facetten einer Streifenlaserdiode würde
die internen Verluste
erniedrigen.
die Spiegelverluste
erniedrigen.
den Schwellenstrom
erhöhen.
den differentiellen
Quantenwirkungsgrad erhöhen.
(Laserbetrieb vorausgesetzt)
c) Wie würde sich bei einer Streifenlaserdiode eine Reduzierung der Spiegelreflektivität
auf die 3dB Grenzfrequenz auswirken? Geben Sie eine kurze physikalische
Begründung.
∝ α ↓ ⇒ α ↑ ⇒ α ↑ ⇒ f
↑
f
d) Welche Bedingung muss für Laserbetrieb erfüllt sein?
Bernard- Duraffourg
Bedingung.
Ladungsträgerinversion in den
Bändern.
Die Betriebstemperatur muss Die Betriebstemperatur muss
höher als die charakteristische niedriger als die charakteristische
Temperatur sein.
Temperatur sein.
e) Geben Sie zwei allgemeine Faktoren an, die die Emissionswellenlänge der SteifenLaserdiode beeinflussen und beschreiben Sie welche Änderung zu einer Erhöhung
oder Erniedrigung der Wellenlänge führt.
T ↑ ⇒ E ↓ ⇒ λ ↑, die Dicke der Quantentöpfe, I ↑ ⇒ T ↑ ⇒ E ↓ ⇒ λ ↑
f) Eine Steifen-Laserdiode mit einer aktiven Zone der Dicke 100 nm, einer Länge von
100 µm und einer Breite von 3 µm hat einen Schwellenstrom von 400 mA. Welcher
Schwellenstromdichte entspricht dies?
1,3 kA/cm²
133 kA/cm²
1,3 ∙ 10 kA/cm²
1,3 ∙ 10 kA/cm³
g) Kann man an der Strom-Spannungs-Kennlinie eine (ideale) LED von einer (idealen)
Laserdiode unterscheiden? (mit kurzer Begründung)
Ja, da die Ferminiveaus bei einer laserdiode ab der schwell „festgehalten“ werden
⇒ UI-Kennlinie weißt Knick bei Einsetzen der stimulierten Emission auf
h) Nennen Sie einen Grund, warum in einer pn-Photodiode ein intrinsischer Bereich
eingeführt wird (pin Photodiode). Was verbessert sich gegenüber einer (gleich dicken)
pn-Diode?
Effektive Trennung der Ladungsträger aufgrund des E-Feldes im intrinsischen Bereich