Chapter 8.

Chapter 8.

• Optoelectronic Devices ( 광전자소자 )

Chap. 8. Optoelectronic DevicesChap. 8. Optoelectronic Devices

8.1 광다이오드

반도체 시료는 광학적 생성률에 비례하는 전도도의 변화를 줌으로써

광전도체 (photoconductor) 로 사용 가능 .

광학적 또는 고에너지 방사 검출기의 응답속도와 감도를 개선하기

위하여 접합형 소자를 사용하여 광자 흡수에 응답하도록 설계된 단일

접합형 광다이오드 소자 (photo diode)

EHP 의 광학적 생성에 대한 p-n 접합의 응답에 대한 광다이오드

검출기 (photo detector) 구조

흡수된 광에너지를 유용한 전력으로 바꾸어 주는 태양전지 (solar cell)


광 전류 (photo current)

공핍영역 W 내에서 생성된 캐리어들은 접합 전계에 의해 분리되어 , 전자는 n 형 영역에서 정공은 p 형 영역에서 집속

접합 양쪽의 확산거리 내에서 열적으로 생성된 소수캐리어들은 공핍영역으로 확산되어 , 전계에 의해 다른 쪽으로 쓸려가게 됨

접합에 의해 광학적으로 생성된 이들 캐리어의 집속으로 인해 생긴 전류 (Iop)

A : 단면적 , W : 공핍영역 폭gop: carrier 생성률Lp : n 형 쪽 전이영역의 정공 확산거리Ln : p 형 쪽 전이영역의 전자 확산거리

8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압

WLLqAgI npopop WLLqAgI npopop

WLLqAgenL

pL

qAI

IeII

npopkTqV

pn

nn

p

p

opkTqV

th

1

1

/

/

열적으로 생성된 전류를 Ith 라 하면 , 광학적 생성을 더하여 광조사에

따른 총 역방향 전류를 구할 수 있음 .



Fig. 8-1 p-n 접합에서의 광학적 캐리어 생성 : (a) 소자에 의한 빛의 흡수 ; (b) n 형 접합의 확산거리 내에서의 EHP 생성으로부터 생기는 전류 Iop; (c) 조사된 접합의 I-V 특성

p n



소자의 양단을 개방시켰을 때의 전압

1//

ln

1/ln

oppnnnpp

np

thopoc

gnLpL

WLL

q

kT

IIq

kTV

대칭적 접합의 특수한 경우 (pn =np , τp = τn), W 내에서의 재결합을

무시하면 ,th

opoc g

g

q

kTV lngop≫gth 인 경우

gth = pn/τn 은 평형 (equilibrium) 상태에서의 열적 생성 - 재결합률을

나타냄 .

소수캐리어농도가 EHP 의 광학적 생성으로써 증가함에 따라 , 수명 τn 은

짧아지고 pn/τn 은 커짐 .

Voc 에 대한 한계는 평형상태에서의 접촉전위차 V0.

광기전력효과 (photovoltaic effect)

조사된 접합을 가로질러서 순방향 전압이 나타나는 현상



Fig. 8-2 접합의 개방회로 전압에 주는 빛 조사의 영향 : (a) 평형상태에서의 접합 ; (b) 빛 조사 시의 전압 Voc 의 출현

( 제 1 사분면 ) ( 제 3 사분면 ) ( 제 4 사분면 )

( 역방향 바이어스 )

Fig. 8-3 I-V 특성 곡선의 여러 사분면에서의 빛이 조사된 접합의 동작 : (a) 와 (b) 에서 전력은 외부회로에 의해 이 소자로 공급된다 ; (c) 에서는 이 소자가 부하에 전력을 공급한다 .


8.1.2 태양전지화성탐사로봇 패스파인더

태양전지 패널

태양전지의 구조


8.1.2 태양전지플렉서블 유기태양전지의 응용분야

지난 2 년여 동안 신규 재료의 개발과 함께 최근 8% 안팎의 에너지 변환 효율을 보여주고 있으며 2015 년 안에 10% 대의 소자가 구현될 수 있다는 예측이 지배적이다 .


8.1.2 태양전지태양전지의 설계

얻을 수 있는 광학적 에너지의 최대량을 이용하기 위해서는 소자의 표면 가까이 큰 면적의 접합을 갖는 태양전지를 설계할 필요가 있다 .

이 평면형 접합은 확산이나 이온주입으로써 형성시키며 , 표면에는 반사를 감소시키고 표면재결합을 적게 하기 위해 적당한 물질을 도포한다 .

( 금속 접촉부 )( 무반사 코팅 )

Fig. 8-5 태양전지의 구성 : (a) 평면 접합의 확대도 ; (b) “ 손가락” 모양의 금속접촉부를 보여주는 평면도


8.1.2 태양전지채움지수 (fill factor)

ImVm/IscVoc

Fig. 8-6 빛이 조사된 태양전지의 I-V특성 . 최대전력 직사각형이 빗금 그어져 있다 .

지상에서의 태양전지 응용

태양전지의 응용은 외기권에 한정되는 것은 아님 .

태양의 세기가 대기에 의해 감소된다고 하더라도 , 지상에서 태양전지를 사용하는 응용에서는 태양으로부터 유용하게 전력을 얻을 수 있음 .

비용 절감과 크기의 축소

현재 화석연료로 전력을 생산하는 데는 KWh 당 불과 3 센트밖에 들지 않지만 , 비정질 Si 태양전지의 경우는 이의 약 10 배가 들고 투자 회수에는 약 4 년이 걸림 .

효율 향상을 위한 연구 필요 .

태양전지에 대하여


Basic principle of solar cell



LED vs PhotovoltaicLight-emitting diode (LED)

Converts electrical input to light output: electron in → photon out

Light source with long life, low power, compact design.

Applications: traffic and pp car lights, large displays, solid-state lighting.

Photovoltaic (PV)

Converts light input to electrical output: photon in → electron out

(generated electrons are “swept away” by E field of p-n junction).

Renewable energy source.



Energy Band of p-n Junction Solar Cell

Dark Flux & 0 V Short Circuit Current (Jsc)

Open Circuit Voltage (Voc)

Maximum Power Point (Pmax)



J-V Curve The photodiode is usually operated in reverse bias mode.



Equivalent circuitEquivalent circuit of a "real" solar cell showing both a shunt and series resistive

loss.

The series resistance, Rs, is a series loss due primarily to the ohmic loss in the surface of the solar cell.

The shunt resistance, Rsh, is used to model leakage currents.

A shunt resistance of a few hundred ohms does not reduce the output power of the solar cell appreciably.

A series resistance of only 5 Ω can reduce output power by 30%.



Short circuit current (Jsc) & open circuit voltage

(Voc)

The short circuit current is found by setting V = 0

genkTqV

sat JeJJ 1

gengengenkTqV

satSC JJJeJJJ 1)0(

The open circuit voltage is found by setting J = 0

01 genkTqV

sat JeJJ

1ln

sat

genOC J

J

q

kTV

by using the fact that JSC = Jgen,

sat

scOC J

J

q

kTV ln for JSC ≫ Jsat

VJOCV

SCJ

neglecting the effects of Rsh and Rs (Rsh=∞, Rs=0)

The fill factor (FF), is thus defined as (VmJm)/(VocJsc), where Jm and Vm

represent the current density and voltage at the maximum power point, this point

being obtained by varying the resistance in the circuit until JxV is at its greatest

value.

The ratio (given as percent) of the actual maximum obtainable power, (Vmp x

Jmp) to the theoretical (not actually obtainable) power, (Jsc x Voc)

FF is a key parameter in evaluating the performance of solar cells.



Fill factor (FF)

ocsc

mm

ocsc

pwrpwr

ocsc VJ

VJ

VJ

VJ

VJ

PFF maxmaxmax

IPCE (Incident Photon to electron Conversion Efficiency)

EQE (External Quantum Efficiency)

Short circuit 상태에서 전체 photon 이 electron 으로 변환되는 효율

IQE (Internal Quantum Efficiency)

Short circuit 상태에서 흡수된 photon 이 electron 으로 변환되는 효율

PCE (Power Conversion Efficiency) or ECE (Energy Conversion Efficiency)

Maximum FF



Quantum efficiency



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c9/PVeff(rev100414).png



Solar radiation

Power reaching earth: 1.37 kW/m2



Air mass coefficientAir mass (AM) coefficient characterizes the solar spectrum after the solar

radiation has travelled through the atmosphere.

AM1.5 is almost universal when characterizing power-generating panels.

earth

~ black body radiator at 5,800 K

solar radiation

absorb certain wavelength.

Ozone, water, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, …

At the earth surface, the spectrum is strongly confined between the far infrared and near ultraviolet.



AM coefficient

l0 : thickness of the atmosphere

l : path length through the atmosphere for solar radiation incident at angle θ

AM0: the spectrum outside the atmosphere (5800 K black body)

AM1: the spectrum to sea level with the sun directly overhead (θ ~ 0o)

AM1.5 : almost universally used to characterize terrestrial solar panels (θ ~

48.19o)

0

0

cos

1

cos l

ltcoefficienAM

ll

0l

earth

l



Third-generation photovoltaics1st generation - c-Si solar cells

2nd generation - thin film solar cells

3rd generation - high efficient, low cost, ecofriendly solar cells (DSSC, organic

and nano solar cells)



Crystalline Si solar cell



PERL Si solar cell



Rear contact Si solar cell



Edge-defined film-fed growth



a-Si:H/c-Si HIT Si solar cell



Thin film solar cell



a-Si thin film solar cell



Compound semiconductor thin film solar cell



High-efficiency: Tandem structures



Low-cost process: Roll-to-Roll CIGS thin film solar cell



DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell )

햇빛을 받으면 전자를 방출하는 특정 염료와 전해질을 이용해 전기를 만듦 .

염료감응 전지를 구성하는 물질 :

태양광 흡수용 고분자 (염료분자 )

넓은 밴드갭을 갖는 반도체 산화물 (N 형 반도체 역할 , TiO2)

전해질 (P 형 반도체 역할 )

촉매용 상대전극 ( 양극 / 백금 , 탄소 나노 튜브 등 )

태양광 투과용 투명전극 ( 음극 )




DSSC 염료가 갖추어야 할 조건염료감응 전지를 구성하는 물질 :

가시광선 전 영역의 빛을 흡수

나노 산화물 표면과 견고한 화학결합

열 및 광화학적 안정성

염료의 LUMO 가 나노산화물의 전도대 E 보다 높아야 함

현재 가장 효율이 좋은 염료 분자

루테늄계 유기금속화합물




DSSC – 동작원리

태양 빛 ( 가시광선 ) 이 흡수되면 염료분자는 전자 - 정공 쌍을 생성하며 , 전자는 반도체 산화물의 전도대로 주입

반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생

염료분자에 생성된 홀은 산화 -환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성




DSSC 작동 메커니즘

D + light →D*

D2*+ TiO2→e-(TiO2) + D+: 전자주입

e-(TiO2) + C.E. →TiO2+ e-(C.E.) + 전기에너지

D++ 3/2 I-→D + ½I3-

½I3-+ e-(C.E.) →3/2 I-+ C.E.

D: 염료 (dye) 분자 C.E.: 상대전극 (counter

electrode)




DSSC 의 단점

DSSC 의 최고 변환효율 : 약 11% ( 실험적 ), 약 8% ( 상용화 )

대면적화 시 효율 감소

120 도 이상 고온에서 효율이 급격 하락

( ∵ 유기물질을 사용하는 경우 빛과 열에 불안정 )

DSSC 의 장점

저가의 제조 설비 및 공정 기술 → 발전 단가를 실리콘계의 1/5 까지 가능

플렉서블 , 투명 , 다양한 색상 구현이 가능 → 다양한 응용성이 기대됨

투명 제작으로 2~3장을 겹치는 다중 제작이 가능

→ 같은 면적에서 효율을 2~3 배 늘릴 수 있는 특징

빛의 조사각도가 10o 로 좁아도 전기 생산이 가능 → 흐린 날씨 작동 가능



DSSC 제조과정



Organic & hybrid solar cells



Polymer-Fullerene solar cells

TiOx layer connects the front cell and the back cell.

Power conversion efficiency was 6% at illuminations of 200 mW/cm2.


8.1.3 광검출기광다이오드의 동작

광다이오드를 다음의 사분면에서 동작시킬 때 , 그 전류는 본질적으로 전압에는 무관하나 광학적 생성률에는 비례함 .

광학적 검출의 응용에서는 검출기의 응답속도가 결정적임 .

예를 들어 광다이오드가 1ns 떨어져 있는 광펄스 (light pulse) 에 감응한다면 , 광학적으로 생성된 소수캐리어는 1ns 보다 훨씬 적은 시간에 접합으로 확산하고 반대쪽으로 넘어서 쓸려가야 함 .

공핍영역의 폭 W 는 충분히 커서 대부분의 광자가 중성인 p 와 n 형 영역에서보다는 W 내에서 흡수되는 것이 바람직함 .

캐리어가 주로 공핍층 W 내에서 생성될 때 공핍층형 광다이오드(depletion layer photodiode) 라 함 .


8.1.3 광검출기p-i-n 광검출기 (p-i-n photodetector)

공핍영역의 폭을 제어하는 편리한 방법 중 하나

“i” 영역은 저항률이 높기만 하면 참된 진성 반도체일 필요는 없음 .

이것은 n 형 기판 위에 에피택셜 방식을 성장시킬 수 있으며 , p 형 영역은 확산으로써 만들 수 있다 .

Fig. 8-7 p-i-n 광다이오드의 개요도

이 소자에 역방향으로 바이어스를 가해주면 인가전압은 전부 i 영역을 가로질러서 나타난다 .

i 영역 내의 캐리어 수명이 표동시간에 비하여 길다면 , 광학적으로 생성된 캐리어의 대부분은 n 및 p 영역에 모아질 것이다 .

광검출기를 평가하는 중요한 지수 중 하나는 , 검출기에 입사되는 광자 하나당 생성되는 캐리어의 수로 표현되는 외부양자효율이다 .

hP

qJ

op

opQ /

/

hP

qJ

op

opQ /

/ Jop : 광전류밀도

Pop : 입사된 광전력


8.1.3 광검출기애벌랜치 광다이오드 (Avalanche Photodiode; APD)

빠른 속도와 내부 이득 (internal gain) 때문에 광섬유 통신시스템에서 유용

Fig. 8-8 광다이오드 동작을 향상시키기 위해 사용한 다층 이종접합 (multilayer heterojunction):(a) 좁은 간극 물질에서 넓은 간극 물질을 통과한 1.55μm 근처의 빛을 흡수하는 애벌랜치 광다이오드 : 정공은 애벌랜치 증식이 일어나는 InAlAs 접합 쪽으로 쓸려간다 . i 영역은 저농도로 도핑되어 있다 .(b) 광전류 , 암전류 , 이득은 애번랜치 증식 때문에 바이어스의 함수로 증가한다 .(c) SACM APD 등에서 볼 수 있는 전형적인 이득 - 대역폭 특성


8.1.4 광검출기에서의 이득 , 대역폭 및 신호 대 잡음비

광통신시스템에서는 광검출기의 감도와 응답시간 ( 대역폭 ) 이 특히 중요

이득을 키우려고 설계하면 대역폭이 작아지고 그 반대도 성립함 .

이득 - 대역폭 곱 (gain-bandwidth product) 을 광검출기에서 특성지수로 쓰는 경우가 많음 .

검출기에서 중요한 또 하나는 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio)

검출기에서 사용할 수 있는 정보의 양과 배경잡음의 비

잡음전류는 온도와 물질의 암전도도에 따라 증가

광검출기의 비교

p-i-n 다이오드 : 광전도기에 비하여 암전류가 적고 암저항은 훨씬 큼 .

애벌랜치 광다이오드 : 애벌랜치 증식효과로 광이득의 장점이 있지만 , 잡음이 p-

i-n 에 비하여 증가하는 단점이 있음 .

광전도기 : 여러가지 잡음원의 영향 .

잡음등가전력 (noise-equivalent-power; NEP) 으로 정량화

광검출기의 검출도 (detectivity) : D =1/NEP


8.1.4 광검출기에서의 이득 , 대역폭 및 신호 대 잡음비

NEP 는 광전도기의 대역폭과 면적에도 관계

특이성 검출도 (specific detectivity) D* 는 단위면적과 1Hz 의 대역폭을 갖는 광검출기에 대하여 정의

대역폭 요구조건 내에서 가장 큰 D* 를 갖는 광검출기가 유리

광도파로 (waveguide) 구조 : 높은 감도와 대역폭을 동시에 성취

빛은 전류의 수송방향과 수직방향으로 광다이오드에 입사

Fig. 8-9 광도파로형 광다이오드 . 광자는 협 에너지대역 InGaAs 영역 A 에서 강하게 흡수되고 캐리어는 영역 M 에서 애벌랜치 과정에 의하여 증식된다 . 전하영역 C 는 A와 M 사이의 전계 분포를 최적화시키기 위한 것이다 .


8.2 발광다이오드캐리어가 순방향으로 바이어스된 접합을 가로질러서 주입될 때 , 그 전류는 보통 전이영역에서와 접합 부근의 중성영역에서는 재결합에 의한 것으로 간주 .

Si 나 Ge 와 같은 간접형 재결합 반도체 : 격자에 열을 방출 .

직접적인 재결합 반도체 : 순방향으로 바이어스된 접합으로부터 상당한 빛이 방출 .

주입형 전계발광이라 하는 이 효과는 광발생소자로서의 다이오드의 중요한 응용을 이룸

V = 0 V < 0 V > 0

Eg

Ev

Ec

p-typen-type

p-type

n-type

p-typen-type

hν


8.2 발광다이오드반도체 레이저 (semiconductor laser)

순방향으로 바이어스된 p-n 접합에서의 발광재결합을 이용

LED 보다 훨씬 좁은 파장대역에서 간섭성이 있고 방향성이 큰 빛을 방출

광섬유 통신시스템에서 유용

LED 의 파장과 광효율

파장 ( 또는 주파수 )

외부광자효율 (external quantum efficiency)

LED 가 평탄형 표면을 갖고 있다면 , 반도체 - 외부 계면에 도달한 광자 중 임계각보다 큰 각도를 갖는 광자는 전반사되어 궁극적으로는 반도체 내에서 흡수에 의해 소멸됨 .

이 때문에 전형적인 LED 는 돔 모양으로 캡슐화하여 외부광효율을 증대

)(

24.1)(,

)(

24.1)(

eVEm

m

hheVE

gg

)()( 방출효율내부복사효율 ext


8.2 발광다이오드

Fig. 8-10 LED 조명 강도 (luminous intensity) 의 시간적 향상


8.2.1 LED 재료가시광선과적외선 파장을 내는 반도체 레이저와 LED 를 요구하는 넓은 적용분야를 볼 때 , 사용 가능한 많은 종류의 Ⅲ - Ⅴ 물질들은 대단히 유용 .

AlGaAs 와 GaAsP 시스템에 덧붙여 ,

InAlGaP 시스템은 적색 , 황색 및 오렌지색을 , AlGaInN 은 청색과 녹색을 강하게 냄 .

많은 응용에 있어서 LED 의 발광이 사람 눈에 꼭 보일 필요가 있는 것은 아님 .

GaAs, InP 및 이들 화합물의 혼합된 합금과 같은 적외선 방출체는 특히 광섬유 통신 시슽템이나 TV 리모콘에 잘 어울린다 .

Fig. 8-11 GaAs1-xPx 에서 합금조성비의 함수로 주어진 전도대역 에너지


8.2.2 광섬유 통신광섬유 (optical fiber)

광원과 검출기 사이의 광학적 신호의 전송은 광원과 검출기 사이에 광섬유를 놓음으로써 크게 증대시킬 수 있다 . → 광도관 (light pipe)

광섬유의 한 형태는 비교적 순수한 용융 실리카 ( 무수규산 : SiO2) 의 외층에 , 보다 큰

굴절률을 갖는 도핑 유리의 중심체가 들어 있는 것이다 .

계단형 굴절률의 섬유는 그 표면에서의 손실이 거의 없이 주로 중앙의 핵심부에 광속이 유지

빛은 굴절률이 급변하는 계단부분에서의 내부 반사로 인해 섬유의 길이방향으로 빛이 전송

Fig. 8-12 다중모드 섬유의 두 가지 예 : (a) 약간 큰 굴절률 n 을 갖는 중심체가 있는 계단형 굴절률의 경우 ; (b) 중심체의 n 이 포물선형으로 경사진 경사형 굴절률의 경우 .그림에서는 섬유의 단면 (왼쪽 ), 굴절률 분포 (중앙 ) 및 대표적인 동작양식의 모양 ( 오른쪽 ) 을 보이고 있다 .


광손실 (optical loss)

섬유의 길이방향으로 거리 x 에서의 신호의 세기

레일리 산란 (Rayleigh scattering)

파장의 증가에 따른 흡수의 전체적인 감소는 파장과 비교할 수 있는 크기의 작은 임의의 불균일성이 굴절률의 변동을 초래

적외선 흡수

유리를 이루는 원소의 진동 여기(vibrational excitation) 에 기인

펄스 분산 (pulse dispersion)

데이터 펄스가 섬유를 따라 전파되어 가면서 퍼지게 되는 현상

굴절률의 주파수 의존성으로 생길 수 있음 .

8.2.2 광섬유 통신

Fig. 8-13 응용 실리카 광섬유에 대한 감쇠상수 α 대 파장 λ 의 대표적 관계도 . 피크는 주로 OH- 불순물에 의한 것으로 개선된 섬유제조로써 감소시킬 수 있다 .

xex 0I)I(


8.2.2 광섬유 통신레이저 광원

광원으로서 레이저를 사용하는 것은 기본적으로 단일 주파수로 이루어져 있고 매우 큰 정보대역폭을 갖기 때문 .

초기 광전자시스템에서는 레이저나 LED 를 제작하기 위해 이미 잘 발달된 GaAs-AlGaAs 시스템을 사용

최근 시스템들은 감쇠 최소점 1.3 또는 1.55μm 부근에서 동작

InP 에 성장할 수 있는 InGaAs 나 InGaAsP 를 이용하여 제작 가능

다중모드 (multi-mode) 의 섬유는 단일모드 (single-mode) 의 섬유보다 크나 이것도 간섭성의 레이저 빔을 전송하는 데 사용될 수 있음 .

섬유에서의 손실량에 따라 중계기 (repeater station) 가 일정한 간격마다 필요할 수 있음 .


8.2.2 광섬유 통신

Fig. 8-14 광섬유 통신시스템의 개략도 . 전화나 TV 에서와 같은 아날로그 신호의 전송을 보이고 있다 . 신호가 디지털화된 후 레이저 광출력을 변조하게 되고 이는 광섬유를 따라 전송되는데 , 이때 섬유에서의 손실을 보상하기 위해서 중계기를 사용하여 주기적으로 증폭된다 . 스위칭회로가 신호를 적합한 곳으로 보낸다 (route). 광 검출기와 저잡음 전치증폭기 (low-noise preamplifier; LNA) 에 의해 고아신호가 전기신호로 바뀐 후에 , 디지털신호로 광섬유를 진행하면서 생긴 왜곡 (distortion) 을 재생기(regenerator) 를 이용하여 교정한 후에 신호는 아날로그 신호로 바뀐다 .


8.3 레이저LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

복사선의 유도방출에 의한 빛의 증폭

특성 : 강한 방향성 , 단색성 및 간섭성

발광 : 자연방출 (spontaneous emission) + 유도방출 (stimulated emission)

Fig. 8-15 상위 상태에서 하위 상태로 광자 방출을 동반하는 전자의 유도천이

1212 EEh

kTh

kTEE

e

en

n

/

/)(

1

2

12

12

전하 분포와 볼츠만 계수에 대한 검토로부터 ,

열적 평형 (thermal

equilibrium) 상태에서의 상대적 분포는


8.3 레이저

2 Level System

3 Level System

E2

E1

E2

E1

MetaStableState

OpticalPumping

E3

4 Level System

E2

E1

MetaStableState

OpticalPumping

E3

E4


8.3 레이저

열적 평형 상태

자연방출에 대한 유도방출의 비율은 일반적으로 매우 작으며 유도방출의 기여는 무시가능 .

광자전계 (photon field) 가 존재할 때 ,

광학적 공진공동 (optical resonant cavity)

를 만들어 줌으로써 촉진

흡수 이상 유도방출을 얻으려면 ,

밀도반전 (population inversion) : n2 > n1

유도방출자연방출

흡수

)()( 1222122112112 nBnAnB유도방출자연방출

흡수

)()( 1222122112112 nBnAnB

B12,A21,B21 : Einstein Coefficient

Fig. 8-16 정상상태에서의 흡수와 방출의 평형 :(a) 유도방출 ; (b) 흡수 ; (c) 자연방출

)()(

자연방출유도방출

1221

21

221

12221 A

B

nA

nB

율율

1

2

12

21

12112

12221

)(

)(

n

n

B

B

nB

nB

흡수율유도방출율


8.3 레이저광자의 밀도가 유도방출로 증가되기 위한 조건

1. 광자전계가 증진되는 것을 촉진하기 위한 광학적 공진공동

2. 밀도반전을 얻는 방법을 제공

2

mL

n0 Fig. 8-17 레이저공동 내에서의 공진양식

유도방출이 일어나기 위한 공동의 길이

대기에서 출력광의 파장 λ0

를 이용하고자 할 때는 레이저 물질의 굴절률 n 을 고려


8.4 반도체 레이저

p-n junction LASER

Hetero junction LASER

The condition of Population inversion

The nature of the coherent light


Fig. 8-18 순방향 바이어스가 인가되었을 때 p-n 접합 레이저의 에너지대역도 . 빗금친 부분은 접합에서의 반전영역을 나타낸다 .

8.4.1 접합에서의 분포반전반전영역 (inversion region)

축퇴 (degenerate) 된 물질 사이에 p-n 접합을 형성

순방향 바이어스가 충분히 크면 전자와 정공은 상당한 농도로 전이영역을 넘어서 주입

이 영역은 전도대에는 고농도 전자를 , 가전자대에는 고농도 정공을 포함

이들 분포의 농도가 충분히 크면 밀도반전의 상태를 형성

kTFEi

kTEFv

kTEFi

kTFEc

pivp

innc

eneNp

eneNn/)(/)(

/)(/)(

의사 페르미준위 (quasi-Fermi level)

의 개념으로 설명


8.4.1 접합에서의 분포반전밀도반전에 대한 조건

반도체에서 임의의 주어진 천이에너지 hν 에 대하여 분포반전

gpn

gvc

pn

EFF

EEEh

hFF

)(

)(

Fig. 8-19 반전영역 확대도

Fig. 8-20 순방향 바이어스에 따른 반전영역폭의 변화 : V(a) < V(b)


8.4.2 p-n 접합 레이저의 방출 스펙트럼

유도방출에 관여하는 광자의 파장

인가해주는 전류 준위가 커짐에 따라 자연방출에서 유도방출로 주도됨 .

레이저 동작에서는 유도방출로 중첩된 거의 단색광에 가까운 복사로 형성

Fig. 8-21 접합 레이저에 대한 빛의 세기 대 광자 에너지 hν 의 관계 :(a) 문턱값 이하에서의 비간섭성 빛의 방출 ;(b) 문턱값에서의 레이저 ( 동작 ) 양식 ;(c) 문턱값 이상에서의 주된 레이저 ( 동작 ) 양식 .세기의 눈금은 (a), (b), (c) 의 순으로 크게 압축되어 있다 .


8.4.2 p-n 접합 레이저의 방출 스펙트럼

Fig. 8-21(b) 에서 각 양식들의 분리

GaAs 의 굴절률 n 이 파장 λ 에 의존한다는 사실로 말미암아 복잡함 .

0

n2m

L

00200

n2n2m

d

dLL

d

d

mn

n1

n2

1

0

020

0

d

d

L

만약 m(L 에서 반파장의 수 ) 이 크면 도함수를 이용하여 λ0 에 대한 m 의

변화율을 구할 수 있다 .

이제 m 과 λ0 에서의 불연속적 변화 형식으로 바꾸면

로 쓸 수 있다 . Δm = -1 로 놓으면 인접한 양식 사이에서의 파장의 변화 Δλ0 를 계산할 수 있다 .


8.4.3 기본적인 반도체 레이저

Fig. 8-22 간단한 접합 레이저의 제작 : (a) 축퇴상태의 n 형 시료 ;(b) p 형 쪽 확산 ;(c) 절단 또는 식각에 의한 접합의 분리 ;(d) 개개의 접합을 소자로 절단 또는 쪼갬 ;(e) 장착된 레이저 구조


8.4.4 이종접합 레이저

Fig. 8-23 레이저 다이오드에서 캐리어를 전송하기 위해 이종접합을 이용 :(a) 얇은 p 형 GaAs층 위에 성장된 AlGaAs 이종접합 ;(b) 바이어스하에서 얇은 p 형 영역에 전자가 집속됨을 보이는 (a) 의 구조에 대한 에너지대역도 .



Fig. 8-24 이중 이종접합 레이저 구조 :(a) 주입된 캐리어와 발생된 빛을 집속하기 위하여 사용한 다중층 ;(b) 레이저 동작이 발생되는 방향에 따라 좁고 가느다란 부분으로 전류주입이 제한되도록 설계된 띠의 기하학적 구조 .이 띠의 기하학적 구조를 얻는 여러 방법 중의 하나로서 이 예는 (b) 의 흐린 영역을 양자 (photon) 폭격하여 얻는 것이며 , 이로써 GaAs 와 AlGaAs 는 반 절연성으로 바뀐다 .



Fig. 8-25 캐리어 집속과 광도파 집속의 분리 :(a) 가장 작은 대역간극을 갖는 영역 (d) 에서 캐리어를 제한하고 보다 넓은 영역에서 굴절계수의 계단을 이용하여 도파관 (w) 을 얻기 위해서 AlGaAs 합금 조성의 분리된 변화를 이용한다 ;(b) 보다 좋은 도파관과 캐리어 집속을 얻기 위한 합금의 조성비 . 따라서 굴절률을 경사지게 한다 .



Fig. 8-26 수직공동을 갖는 표면방출형 레이저 다이오드의 모식적인 단면도

Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs)

공진기 거울 대신에 MBE 나 OMVPE 로 성장시킨 Distributed Bragg

Reflector (DBR) 반사기를 포함 .

DBR 거울은 두께가 각 물질에서의 파장의 1/4 이 되는 AlAs 와 GaAs 의 여러 교차층으로 구성 .

Homework #8

고체전자공학 제 6판

Chapter 8. 연습문제

문제 2, 문제 8, 문제 16, 문제 18

Chap. 3. Energy Bands and Charge Carriers in SemiconductorsChap. 3. Energy Bands and Charge Carriers in Semiconductors

Chapter 8.

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