МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра направляющих телекоммуникационных сред

ПРАКТИКУМ № 17-Л

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СПЕКТРА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Москва 2022

План УМД 2022/2023 уч.год

ПРАКТИКУМ № 17-Л

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СПЕКТРА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Составитель: Пчелкина Н.В. к.т.н. доцент.

Болотов Д.В. инженер.

Исследуются причины зависимости спектра лазерного излучения от температуры

Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол № 2022-06 от 28.06.2022 г.

Рецензент: Машковцева Л.С., к.х.н., доцент

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с принципами работы лазерного модуля и с причинами зависимости лазерного излучения от температуры.

2. Задание

2.1 Ознакомиться с техникой безопасности работы с лазерным оборудованием и получить допуск на выполнение лабораторной работы

2.2 Собрать экспериментальную схему

2.3 Ввести необходимые установки оборудования

2.4 Зарегистрировать значения рабочей длины волны лазерного диода при изменении температуры в диапазоне, заданным преподавателем

2.5 Построить график зависимости длины волны лазерного диода от температуры

3. Состав оборудования

3.1 Лазерный модуль (лазерный диод и контроллер)

3.2 Оптико-волоконный патч-корд

3.3 Оптический анализатор спектра

3.4 Персональный компьютер

4. Методические указания по выполнению работы

4.1 Общие положения

Прежде чем приступить к исследованию зависимости длины волны излучения лазерного диода от температуры, необходимо вспомнить ключевые понятия о полупроводниках. Известно, что полупроводники – это такие материалы, у которых при T = 0 ºК заполнена вся валентная зона, а зона проводимости пустая (то есть нет свободных электронов), при этом между валентной зоной и зоной проводимости находятся запрещенная зона (рисунок 1). При температуре 300 ºК она составляет в германии (Ge) 0,803 эВ, в кремнии (Si) – 1,12 эВ, в арсениде галлия (GaAs) – 1,43 эВ, в фосфиде индия (InP) – 1,29 эВ.

Рисунок 1 - Энергетический спектр электрона в полупроводнике

- ширина запрещенной зоны.

Стоит вспомнить что электроны подчиняются распределению Ферми – Дирака:

,

где – энергия Ферми, при этом для полупроводников данное распределение приближенно описывается распределением Больцмана, так как для того, чтобы электрон перешел в зону проводимости необходимо сообщить энергию , при комнатных температурах, поэтому единицей в дроби можно пренебречь и получить распределение Больцмана:

.

В полупроводниках имеется понятие квазичастицы, называемое дыркой. Фактически это вакансия, созданная при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости. Дырками удобней описывать полупроводники, в которых количество вакансий в валентной зоне превосходит количество электронов в зоне проводимости (так называемые p-полупроводники легированные акцепторными примесями, которые создают вакансии для электронов из валентной зоны).

В чистых полупроводниках концентрация электронов в зоне проводимости намного меньше (на несколько порядков) чем в металле, при комнатной температуре. Для того чтобы увеличить концентрацию электронов проводимости, полупроводники легируют либо донорными (дают электроны), либо акцепторными (забирают электроны) примесями. В первом случае полупроводники называют n-типа, во втором p-типа. Для каждой зоны полупроводника можем вести свою функцию распределения:

, (1)

, (2)

где - функция распределения электронов и энергия Ферми в зоне проводимости, а – функция распределения дырок и энергия Ферми в валентной зоне.

Энергия Ферми в чистых полупроводниках находится в середине запрещенной зоны (примерно, так как при не нулевой температуре может немного сместиться). Для полупроводников с примесями, энергия Ферми имеет другое расположение, так как обычно примесный уровни находятся в запрещенной зоне на расстоянии порядка 0,01 эВ от валентной зоны (акцепторные уровни), либо от зоны проводимости (донорные уровни), то энергия Ферми находится между примесными уровнями и зоной, рядом с которой они находятся.

Рекомбинацией электронно-дырочной пары называем переход электроны из зоны проводимости в валентную зоны, занимая вакансию (фактически меняется с дыркой местами).