Nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn các dòng và bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Ngoan




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP
DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN
DẪN CÔNG SUẤT CAO





LUẬN VĂN THẠC SỸ









Hà Nội - 2011

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan



Đ
Ạ
I H
Ọ
C QU
Ố
C GIA HÀ N
Ộ
I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Nguyễn Thị Ngoan


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP
DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN
DẪN CÔNG SUẤT CAO

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DOÃN MIÊN









Hà Nội – 2011



Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan


Mục lục
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3
1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser bán dẫn 3
1.2 Một số đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn 11
1.2.1. Đặc trưng dòng bơm – công suất quang của laser bán dẫn 11
1.2.2 Đặc trưng dòng - thế ( I-V) 12
1.2.3 Đặc trưng phân bố không gian trường xa 13
1.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đặc trưng laser bán dẫn 14
1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng P-I 14
1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất quang điện 15
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO
LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 17

2.1 Tìm hiểu về nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao 17
2.1.1 Một vài yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn 17
2.1.2 Nguồn xung và nguồn một chiều cấp dòng cho laser bán dẫn. 19
2.2 Tìm hiểu về bộ điều khiển nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao 23
2.2.1 Bộ làm lạnh pin nhiệt điện peltier 23
2.2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ cho pin peltier 26
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 28
3.1 Thiết kế chế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao 28
3.1.1 Yêu cầu của nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn 28
3.1.2 Mạch nguyên lý và hoạt động của mạch nguồn phát xung 29
3.2 Thiết kế chế tạo nguồn cấp dòng một chiều cho laser bán dẫn công suất cao 32
3.2.1 Cơ sở thiết kế mạch nguồn cấp dòng một chiều 32
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn cấp dòng một chiều 33
3.2.3 Kiểm tra tính ổn định của nguồn dòng liên tục cấp nguồn cho laser bán dẫn 36
3.3 Thiết kế, chế tạo bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao. 39
3.3.1 Mạch nguyên lý và thiết kế tổng thể của mạch điện điều khiển cấp dòng cho pin
Peltier 39
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển cấp dòng cho pin Peltier 40
3.3.3 Quá trình căn chỉnh chế độ làm việc của hệ ổn định nhiệt độ 48


Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

3.3.4 Thiết kế chế tạo và lắp ráp bộ đế ổn định nhiệt độ trên cơ sở pin nhiệt điện Peltier
và cảm biến nhiệt độ bán dẫn. 49
3.3.5 Kết quả khảo sát tính ổn định của bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn. 51
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT
CAO 57
4.1 Nghiên cứu đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P- I) 57

4.2 Nghiên cứu đặc trưng dòng – thế (I-V) 60
4.3 Nghiên cứu đặc trưng phân bố trường xa 62
KẾT LUẬN 66
Các bài báo đã công bố Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67



















Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Ký hiệu viết tắt
BA Broad Area
BH Buried Heterostructure
BNC British Naval Connector

DBR Distributed Bragg Reflector
DFB Distributed FeedBack
ESD Electro Static Discharge
FB Fabry Perot
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MQW Multi Quantum Well
Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LD Laser Diode
LED Light Emitting Diode
LiDAR Light Detection And Ranging
NTC Negative Temperature Coeficient
RF Radio Frequency
PWM Pulse Width Modulation
QW Quantum Well
SQW Single Quantum Well
TEC Thermo Electric Cooler
TTL Transistor Transitor Logic
VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
1

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

MỞ ĐẦU

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị tạo
ra chùm ánh sáng có cường độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn trực
cao. Bước sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là cực kỳ thuần khiết (đơn sắc) khi được
so sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lượng tử) tạo nên chùm laser có
mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp). Ánh sáng từ một laser điển hình có tính
phân kỳ thấp, có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể được tập trung tới một

điểm sáng rất nhỏ với cường độ sáng rất lớn. Do có những tính chất quí báu này, laser
được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của laser được phát minh bởi Charles Townes và
Arthur Schalow từ phòng thí nghiệm Bell Telephone năm 1958, và laser thực tế đầu
tiên dựa trên tinh thể ruby hồng được chứng minh năm 1960 bởi Theodor Maiman tại
phòng nghiên cứu Hughes. Từ thời điểm đó, có rất nhiều loại laser khác nhau được
phát minh, nhưng chỉ có số ít được đưa vào những ứng dụng thực tế trong khoa học,
công nghiệp, thương mại, và quân sự. Laser diode bán dẫn được công bố đầu tiên vào
năm 1962 bởi Robert Hall. Kể từ đó đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các
tính năng kỹ thuật của laser diode không ngừng được hoàn thiện. Từ chỗ ban đầu là
các laser đơn chuyển tiếp có dòng ngưỡng phát laser cao, chỉ hoạt động được ở nhiệt
độ thấp và công suất quang lối ra nhỏ (khoảng mW) ở vùng hồng ngoại gần. Đến nay
laser bán dẫn dựa trên cơ sở dị chuyển tiếp kép dạng vật liệu khối hay đa giếng lượng
tử (MQW) với dòng ngưỡng phát laser thấp (đối với laser công suất thấp), có thể hoạt
động được ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn. Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau
người ta có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với bước sóng phát nằm trong cả dải từ
vùng tử ngoại đến hồng ngoại (390 – 2000 nm) có công suất phát từ µW đến hàng
chục W cho đơn chíp laser. Laser bán dẫn công suất cao ra đời đem lại nhiều ứng dụng
thiết thực trong y tế, công nghiệp, an ninh quốc phòng cũng như trong đời sống hàng
ngày.
Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ, chỉ một sự thay đổi nhỏ trong điện thế đặt
vào sẽ có một sự thay đổi rất lớn trong dòng qua laser. Do vậy nguồn nuôi laser
thường là nguồn dòng. Nguồn dòng nuôi laser phải cấp dòng ổn định và giảm thiểu tối
đa tác động của xung tức thời (transient). Có rất nhiều nguồn dòng thương mại đã
được chế tạo với nhiều tính năng được tích hợp nhưng giá thành vẫn còn khá cao. Do
đó, trong khuôn khổ đề tài luận văn chúng tôi nghiên cứu thiết kế và chế tạo nguồn cấp
dòng cho laser bán dẫn công suất cao phù hợp với mục đích sử dụng và có giá thành
thấp phù hợp với điều kiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như các ứng dụng
trong thực tế.
2

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Bên cạnh đó, yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của laser bán dẫn
như tính chất quang điện, tính tin cậy, hiệu suất và thời gian sống của linh kiện. Do đó
để đảm bảo ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế và
chế tạo bộ ổn định nhiệt độ dựa trên cơ chế làm lạnh nhiệt điện sử dụng pin peltier.
Cũng như nguồn dòng, trên thế giới có rất nhiều những sản phẩm thương mại của bộ
ổn định nhiệt độ cho laser. Nhưng với điều kiện trong nước, một thiết bị ổn định nhiệt
độ cho laser bán dẫn công suất cao với giá thành rẻ là rất cần thiết.
Trong luận văn này, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn xung,
nguồn dòng và bộ ổn định nhiệt độ bằng pin Peltier. Trên cơ sở các thiết bị chế tạo
được, chúng tôi khảo sát một vài đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao
phục vụ cho việc nghiên cứu laser bán dẫn cũng như nhằm mục đích ứng dụng laser
bán dẫn công suất cao trong thực tế.
Luận văn gồm có 4 chương :
Chương 1: Trình bày những khái niệm cơ bản về laser bán dẫn và các đặc
trưng cơ bản của laser bán dẫn.
Chương 2: Tìm hiểu về nguồn phát xung và nguồn cấp dòng một chiều cho
laser bán dẫn, cơ chế làm việc của pin lạnh peltier cũng như tìm hiểu về mạch điều
khiển nhiệt độ cho pin peltier
Chương 3: Trình bày các bước nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn cấp dòng và
bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao
Chương 4: Sử dụng các thiết bị chế tạo được vào một vài hệ thí nghiệm khảo
sát một vài đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao .

3

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ
BẢN

1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser bán dẫn
Trong chất bán dẫn các chuyển mức của điện tử từ các trạng thái năng lượng
thấp (E
1
) trong vùng hóa trị (E
v
) lên trạng thái năng lượng cao (E
2
) trong vùng dẫn (E
c
)
nằm cách nhau một khoảng bằng năng lượng vùng cấm E
g
gọi là sự kích thích. Sau
một thời gian tồn tại ở trạng thái năng lượng cao các điện tử quay về trạng thái năng
lượng thấp. Chuyển mức của điện tử từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái
năng lượng thấp là quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống, có hai loại tái hợp là tái
hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ. Tái hợp bức xạ phát ra các photon ánh sáng, tái
hợp không bức xạ phát ra các phonon dao động mạng tinh thể. Trong trường hợp
chuyển mức của điện tử từ đáy vùng dẫn xuống đỉnh vùng hoá trị, xác xuất chuyển dời

bức xạ trong các bán dẫn vùng cấm thẳng cao hơn nhiều so với bán dẫn vùng cấm xiên
(khi đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm trên cùng hoặc khác giá trị véc tơ sóng
trong không gian véc tơ sóng). Vì vậy, các laser bán dẫn thường được chế tạo trên cơ
sở các bán dẫn vùng cấm thẳng loại A
3
B
5
như

GaAs, InP,…với độ rộng vùng cấm của
bán dẫn ở lớp tích cực của chíp laser ta có các bước sóng phát laser khác nhau.

Ánh
sáng (hay photon) phát ra trong laser bán dẫn liên quan tới bức xạ bờ vùng nên có
bước sóng tuỳ thuộc vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, được xác định như sau
[1,2,5]:
=
ℎ


↔
(

)
=
1.240


()
(1.1)

Khi có photon ánh sáng với năng lượng h

≥ E
g
chiếu vào chất bán dẫn có thể
xảy ra sự hấp thụ. Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng
thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lượng cao trong vùng dẫn. Sau đó, điện tử ở
vùng dẫn có thể tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị sau một thời gian sống nhất định và
phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bước sóng, pha và hướng lan truyền khác
nhau) gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ cưỡng bức là quá trình mà trong đó ánh sáng
chiếu tới gây ra sự phát xạ cưỡng bức (hay cảm ứng) của điện tử ở trạng thái kích
thích. Ánh sáng phát ra có cùng bước sóng, pha, phân cực và hướng lan truyền với ánh
sáng chiếu tới. Vì vậy ánh sáng sinh ra bởi phát xạ cưỡng bức có tính đơn sắc, kết hợp
và định hướng cao. Trong bức xạ cưỡng bức có hai photon sinh ra: một là photon ánh
sáng chiếu tới và một là photon sinh ra do bức xạ cưỡng bức. Hai photon này lại tiếp
tục kích thích hay cảm ứng các cặp điện tử khác tái hợp sinh ra bức xạ cưỡng bức với
các photon giống như vậy. Quá trình như vậy xảy ra tiếp tục trong môi trường khuếch
4

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

đại, ánh sáng chiếu tới được khuếch đại bởi bức xạ cưỡng bức và ta có sự khuếch đại
quang.
Trong điều kiện cân bằng nhiệt, số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp nhiều
hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Vì vậy khi có ánh sáng chiếu tới chỉ có sự
hấp thụ xảy ra. Để có được sự khuếch đại quang ta cần phải làm cho số điện tử ở trạng
thái năng lượng cao nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Điều kiện này
gọi là sự đảo mật độ tích lũy. Điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải là 

−


>


−

> 

với 

à

là mức Fecmi của điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống
trong vùng hóa trị tương ứng.
Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng
đạt được nhờ kích thích các điện tử bằng bơm quang hay tiêm dòng điện, khi đó có
nhiều điện tử ở đáy vùng dẫn và nhiều lỗ trống ở đỉnh vùng hoá trị. Các bộ dao động
laser sử dụng một phần phát xạ tự phát làm ánh sáng chiếu tới và khuếch đại ánh sáng
này nhờ phát xạ cưỡng bức.
Hệ số khuếch đại công suất quang g trên một đơn vị độ dài được định nghĩa
[1,2] : =


(1.2)

Hình 1.1: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính cho các mật độ
hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP 1,3

m.
với I là cường độ ánh sáng trên một đơn vị diện tích. Người ta có thể tính toán g với

lưu ý là g tỉ lệ với hiệu giữa tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ giữa
hai mức năng lượng E
1
và E
2
. Cường độ ánh sáng bức xạ do chuyển mức quang học
5

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

giữa mức kích thích E
2
và mức cơ bản E
1
được định nghĩa là = 



(

), với


là tốc độ nhóm,

pht
(E
21
) là mật độ photon và E
21

= E
2
- E
1
= h

là năng lượng photon.
Khi có ánh sáng chiếu tới vật liệu vùng tích cực, cả hai quá trình bức xạ cưỡng bức và
hấp thụ có thể xảy ra đồng thời nên tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực sẽ là hiệu
của tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ. Trên cơ sở tính toán tốc độ
hấp thụ R
12,abs
, tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức R
21,stim
giữa hai mức năng lượng E
1
và
E
2
trong chất bán dẫn ta có sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang g vào tốc độ tái
hợp bức xạ cưỡng bức thực 


(


=
,
−
,

) [1,2,5]:



= 

(


)
(1.3)
Nghĩa là tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực càng lớn ta có hệ số khuếch đại
quang càng lớn. So sánh với lý thuyết bức xạ của vật đen tuyệt đối (các hệ số Einstein)
kết hợp sử dụng thuyết nhiễu loạn phụ thuộc vào thời gian trong cơ lượng tử có thể
tính hệ số khuếch đại công suất quang g phụ thuộc vào năng lượng photon h

nghĩa là
phụ thuộc vào bước sóng khuếch đại được chọn và mật độ hạt tải tiêm vào. Việc tính
toán cũng như biểu thức g(h

) nhận được nói chung là phức tạp. Hình 1.1 là sự phụ
thuộc của hệ số khuếch đại g vào năng lượng photon h

cho các mật độ hạt tải tiêm
vào khác nhau được tính toán cho vùng tích cực InGaAsP 1,3 m [2]. Khi mật độ hạt
tải bơm vào yếu (1x10
18
cm
3
), g < 0, chưa xảy ra sự đảo mật độ tích lũy hạt tải và chưa

có sự khuếch đại. Khi mật độ hạt tải bơm vào tăng lên, g có giá trị dương, đường cong
khuếch đại mở rộng, tăng lên về biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng
lượng cao (bước sóng ngắn hơn). Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện
của độ khuếch đại dịch về phía năng lượng photon thấp hơn do sự giảm năng lượng
vùng cấm E
g
khi mật độ hạt tải tăng. Nửa âm của trục tung tương ứng với hệ số hấp thụ
vì hệ số hấp thụ công suất quang α(h

) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h

)
được liên hệ với nhau như sau: α(h

)= - g(h

). Ta cũng thấy trên hình 1.1 hệ số
khuếch đại quang tăng nhanh trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải
được thực hiện. Vì có độ khuếch đại quang cao như vậy nên các laser bán dẫn có thể
được chế tạo với kích thước vật lý rất ngắn (dưới 1 mm). Contour khuếch đại như trên
hình 1.1sẽ liên quan đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cưỡng bức
của laser bán dẫn loại buồng cộng hưởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode
sóng dọc (phụ thuộc vào bước sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng của contour khuếch
đại.
Tuy nhiên, trong môi trường khuếch đại cũng xảy ra sự mất mát quang do sự
hấp thụ trên bề mặt, hấp thụ trên các tâm tạp, hấp thụ bởi các hạt tải tự do như tái hợp
Auger, v.v…. Khi sự khuếch đại quang bù trừ được các mất mát quang mới xảy ra dao
động laser. Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chưa đủ cho hoạt động laser mà
phải có thêm một điều kiện cần thiết khác là phản hồi quang, điều này sẽ làm bộ
6

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

khuếch đại trở thành bộ dao động. Nghĩa là để có được dao động laser (hay bộ dao
động quang với tần số dao động rất cao, f ~ 10
14-15
Hz) độ khuếch đại quang cần phải
bằng độ mất mát quang trong vùng tích cực. Sự phản hồi quang được thực hiện bằng
cách đặt môi trường khuếch đại giữa các gương phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng
quang hay còn gọi là buồng cộng hưởng Fabry-Perot (FP). Trong trường hợp laser bán
dẫn, các gương phản xạ ngoại là không cần thiết vì các bề mặt bổ tinh thể laser có tác
dụng như các gương phản xạ với độ phản xạ [1,2,5]:


= (
−1
+ 1
)

(1.4)
với n là chiết suất của môi trường khuếch đại. Thông thường, n = 3,5 cho các chất bán
dẫn vùng cấm hẹp dẫn tới độ khuếch đại R ~ 30%. Trong các laser đơn tần (phản hồi
phân bố DFB hay phản hồi phản xạ Bragg DBR) phản hồi quang được thực hiện bởi
cách tử trên cơ sở thay đổi tuần hoàn chiết suất ở gần vùng tích cực.
Khái niệm ngưỡng phát laser có thể hiểu là một phần các photon sinh ra bởi bức
xạ cưỡng bức sẽ bị mất đi do sự mất mát trong buồng cộng hưởng và cần phải được bổ
sung liên tục. Nếu độ khuếch đại quang không đủ lớn để bù trừ được sự mất mát trong
buồng cộng hưởng sẽ không tạo ra được được mật độ photon cần thiết. Như vậy, một
giá trị độ khuếch đại tối thiểu là cần thiết cho hoạt động laser, giá trị này thực hiện
được chỉ khi laser được bơm trên mức ngưỡng. Dòng điện bơm cần thiết để đạt được

ngưỡng gọi là dòng ngưỡng phát laser. Nói chung, dòng ngưỡng phát laser cũng gần
với dòng ngưỡng để đạt được sự đảo mật độ trạng thái. Sự cân bằng giữa độ khuếch
đại và độ mất mát đựơc biểu diễn như sau [1,2,5]:
int int
1 2
1 1
ln
2
mir
g
L R R
  
 
   
 
 
(1.5)
Vế bên phải bao gồm mất mát nội 
int
với các cơ chế đã nói ở trên, trong đó vai
trò chính là mất mát do hấp thụ hạt tải tự do,và mất mát do gương laser 
mir
với R
1
,R
2

là độ phản xạ của hai mặt gương, L là độ dài buồng cộng hưởng (độ dài chíp laser giữa
hai mặt gương).
Như trên đã nói, laser bán dẫn có thể được bơm cả bằng quang và tiêm (hay

bơm) bằng dòng điện. Tuy nhiên, hiệu suất bơm quang thấp và thường khó thực hiện
nên hiện nay các laser bán dẫn thương mại đều được bơm bằng điện và có cấu trúc trên
cơ sở chuyển tiếp p-n. Để tạo ra được bán dẫn loại n hay loại p người ta thực hiện pha
tạp với các tạp chất phù hợp. Trong trường hợp bán dẫn loại n mật độ điện tử trong
chất bán dẫn lớn hơn mật độ lỗ trống và ngược lại cho bán dẫn loại p (nếu không có
pha tạp thì bán dẫn đó được coi là sạch và thường được gọi là bán dẫn thuần). Mức
Fermi sẽ dịch chuyển đến vùng dẫn khi mà nồng độ pha tạp tăng. Đối với bán dẫn
thuần (không pha tạp) thì mức Fermi sẽ nằm ở giữa vùng cấm. Nếu trường hợp pha tạp
7

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

rất mạnh bán dẫn loại n thì mức Fermi cho điện tử E
fc
sẽ nằm sâu trong vùng dẫn (E
fc

> E
c
). Trong trường hợp như vậy người ta có bán dẫn suy biến loại n.
Tương tự đối với mức Fermi cho lỗ trống E
fv
bị dịch chuyển vào vùng hoá trị
đối với bán dẫn loại p và mức Fermi sẽ nằm sâu trong vùng đó khi pha tạp mạnh.
Trong điều kiện cân bằng nhiệt thì mức Fermi phải là một đường thẳng liên tục xuyên
qua chuyển tiếp p-n. Để dễ dàng đạt được trạng thái đảo mật độ tích lũy khi tiêm dòng
vào laser bán dẫn hay nói cách khác, để có được dòng ngưỡng phát laser thấp, người ta
thường pha tạp mạnh để có được bán dẫn suy biến trong vùng chuyển tiếp p-n của các
laser bán dẫn.
Khi chuyển tiếp p-n được phân cực

thuận bằng một điện thế bên ngoài hàng
rào thế năng của chuyển tiếp sẽ giảm đi.
Sự giảm này dẫn tới sự khuếch tán của các
điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển tiếp.
Trong các chuyển tiếp p-n đơn hay chuyển
tiếp đồng nhất (vật liệu bán dẫn nằm ở hai
phía của chuyển tiếp đều là như nhau) sự
tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra trên
cả một vùng tương đối rộng (~1 10 m)
được xác định bởi độ dài khuếch tán của
điện tử và lỗ trống và các hạt tải không
được giam giữ ở vùng lân cận ngay sát
chuyển tiếp nên rất khó đạt được mật độ
hạt tải cao. Vấn đề về giam giữ hạt tải này
có thể giải quyết bằng cách đưa vào một
lớp mỏng nằm kẹp giữa các lớp loại n và loại p với điều kiện độ rộng vùng cấm của
lớp này phải nhỏ hơn so với các lớp loại n và p xung quanh. Lớp ở giữa này có thể có
pha tạp và cũng có thể không cần pha tạp, tuỳ phụ thuộc vào thiết kế của linh kiện. Vai
trò của lớp này là nhằm giam giữ ở bên trong nó những hạt tải được tiêm vào dưới tác
dụng của thiên áp thuận. Sự giam giữ hạt tải xảy ra là kết quả của sự gián đoạn trong
độ rộng vùng cấm ở vùng chuyển tiếp giữa hai bán dẫn có cùng cấu trúc tinh thể (cùng
hằng số mạng) nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Chuyển tiếp như vậy gọi là
chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có cấu trúc dị thể kép. Do độ dầy
của lớp kẹp ở giữa có thể điều chỉnh được (thông thường ~ 0,1-1 m) nên mật độ hạt
tải cao có thể thực hiện được tại một dòng tiêm (hay bơm) nào đó. Hình 1.2 cho thấy
giản đồ năng lượng của cấu trúc dị thể kép khi không có và có thiên áp thuận.
Hình 1.2

:
Sơ đồ năng lượng của cấu

trúc dị thể kép : a) Trong trạng thái cân
băng nhiệt ; b) Khi phân cực thuận.
8

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan


Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo (a), giản đồ năng
lượng (b), phân bố chiết suất (c) và ánh sáng
(d) của LD dị chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs
Sử dụng cấu trúc chuyển tiếp p-n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn sẽ có
hai lợi ích. Như đã nói tới ở trên, sự khác nhau về độ rộng độ rộng vùng cấm giữa hai
chất bán dẫn giúp cho việc giam giữ các hạt tải trong lớp nằm giữa các lớp p và n. Lớp
ở giữa này còn được gọi là lớp tích cực vì ánh sáng sinh ra ở đó là do kết quả của sự
tái hợp của điện tử và lỗ trống. Do
có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên
lớp tích cực cũng có chiết suất lớn
hơn một ít so với các lớp loại p và n
xung quanh. Sự khác nhau về chiết
suất này làm cho lớp tích cực hoạt
động như dẫn sóng điên môi và số
mốt sóng quang (mốt ngang hay mốt
không gian) trong đó có thể kiểm
soát được bằng cách điều chỉnh độ
dày lớp tích cực. Như vậy, cấu trúc
dị thể giam giữ được các photon ánh
sáng phát ra trong lớp tích cực do
tính chất dẫn sóng điện môi này.
Hình 1.3 trình bày giản đồ
năng lượng, phân bố chiết suất và

cường độ ánh sáng trong laser cấu
trúc dị chuyển tiếp kép
AlGaAs/GaAs khi phân cực thuận. Ở đây điện tử được tiêm vào vùng tích cực từ phía
bán dẫn loại n và lỗ trống được tiêm vào từ phía bán dẫn loại p. Tại vùng tích cực, hạt
tải được giam giữ nhờ các rào thế của chuyển tiếp do độ rộng vùng cấm của lớp tích
cực GaAs (E
g
 1,42 eV) nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của các lớp vỏ AlGaAs (E
g
 2
eV). Để dễ đạt được điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải, các lớp vỏ loại p và loại n ở
hai phía lớp tích cực trong cấu trúc laser bán dẫn được pha tạp mạnh và trở thành bán
dẫn suy biến. Lớp tích cực mỏng nằm kẹp giữa các lớp vỏ thường không pha tạp để
tránh sự mất mát quang trên các tâm tạp làm giảm hiệu suất phát quang, tuy nhiên cho
các mục đích đặc biệt, khi cần có thời gian sống của hạt tải nhỏ để tăng tốc độ hoạt
động của laser người ta có thể pha tạp ở lớp này. Lớp tích cực có thể có chiết suất cao
hơn các lớp xung quanh từ vài phần nghìn tới vài phần trăm nên ánh sáng laser được
giam giữ trong vùng tích cực, tuy nhiên, một phần ánh sáng nằm trong các lớp vỏ.
9

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Cấu tạo điển hình của một linh kiện phát quang bán dẫn dị chuyển tiếp kép
được thường gồm bốn lớp màng mỏng từ vài phần mười m đến vài m được phủ lên
trên đế bán dẫn (substrate) bằng kỹ thuật epitaxi nhằm làm cho sự sai khác về hằng số
mạng tinh thể giữa các lớp là ít
nhất (dưới 0,1%). Như trên hình
1.4 là cấu trúc điển hình của laser
chuyển tiếp dị thể dải (stripe) hình
học hay điện cực dải. Ta thấy có

các lớp giam giữ hay lớp đệm
(confining layer) loại n và p, lớp
tích cực (active layer) và lớp pha
tạp mạnh p+ để tăng tiếp xúc omic
(contacting layer). Dòng điện tiêm
cho laser được giới hạn theo chiều
ngang bởi dải điện cực kim loại
nằm giữa hai dải điện môi cách
điện (oxide isolator). Ánh sáng laser phát vì vậy được giới hạn ở vùng nhỏ theo chiều
ngang của lớp tích cực. Nếu không có hai dải điện môi này, lớp điện cực kim loại được
phủ lên toàn bộ diện tích mặt phía trên của chíp laser và ta có laser diện rộng. Khi đó
ánh sáng laser được phát dọc theo toàn bộ chiều ngang cạnh chíp laser và gồm nhiều
mốt không gian.
Các cấu trúc dị thể nhóm III-V được sử dụng làm lớp tích cực và bước sóng bức xạ
tương ứng như sau:
- InGaP/AlInP (=584 nm)
- GaInP/InGaAlP ( = 670 nm)
- AlGaAs/GaAs (= 750 - 870 nm)
- InGaAs/GaAs (=960 - 980 nm, 1064 nm)
- InGaAsP/InGaP(=720 - 810 nm)
- InGaAsP/InP (=1100 - 1600 nm)
- InGaAlAs /AlGaAs (=810 nm)
- InGaAlP / InGaP (=665 nm)
Các Laser bán dẫn đang được ứng dụng phổ biến ở vùng nhìn thấy hiện nay
thường là loại vật liệu Ga
x
Al
1-x
As trên đế GaAs có x thay đổi (0 < x < 0,37) để có các
bước sóng phát khác nhau (từ 630 nm đến 850 nm) và In

x
Ga
1-x
As
y
P
1-y
trên để InP với x
và y thay đổi ta có thể có các bước sóng 1310 nm (In
0,75
Ga
0,25
As
0,5
P
0,5
) và 1550 nm
Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripe
contact laser diode
Oxide insulator
Stripe electrode
Substrate
Electrode
Active region where J > J
th
.
(Emission region)
p-GaAs (Contacting layer)
n-GaAs (Substrate)
p-GaAs (Active layer)

Current
paths
L
W
Cleaved reflecting surfaceElliptical
laser
beam
p-Al
x
Ga
1-x
As (Confining layer)
n-Al
x
Ga
1-x
As (Confining layer)
1
2
3
Cleaved reflecting surface
Substrate
© 1999 S.O. Kasap,
Optoelectronics
(Prentice Hall)
Hình 1.4
: Cấu trúc của laser chuyển tiếp dị thể
dải hình học
10

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

(In
0,63
Ga
0,37
As
0,8
P
0,2
). Ngoài ra còn có các loại laser bán dẫn trên cơ sở các loại vật liệu
khác như GaInAlP/GaAs (=0,63÷0,67m), laser siêu mạng có lớp ứng suất
InGaAs/GaAs (=0,98 m), InGaN/ GaN (=390÷440 nm). Laser diode vùng hồng
ngoại xa (=3÷34 m) trên cơ sở Pb
1-X
Se
X
trên đế PbTe và các vật liệu khác đang
được nghiên cứu. Các nghiên cứu chế tạo các laser phát ở vùng nhìn thấy với vật liệu
không chứa nhôm Al cũng được thực hiện nhằm tránh Al là vật liệu dễ bị oxy hóa
nhằm tăng tuổi thọ laser.
Có nhiều loại cấu trúc laser diode khác nhau như laser diện rộng, laser dải hình
học, laser chuyển tiếp dị thể vùi, laser dạng gò (messa), laser phát mặt v.v. Ngoài việc
giam giữ hạt tải theo chiều vuông góc với chuyển tiếp p-n do các rào thế (như trên
hình 1.3 b), sự giam giữ hạt tải theo chiều song song với chuyển tiếp p-n cũng rất quan
trọng nhằm tăng hiệu suất phát quang của laser bán dẫn như cho laser dải hình học ở
trên. Tùy thuộc vào cấu trúc laser sử dụng mà người ta chia ra làm hai loại chính là
laser dẫn hướng độ khuếch đại (gain-guided) và laser dẫn hướng chiết suất (index-
guided). Trong đó, dẫn sóng cho bức xạ tự phát theo hướng song song với chuyển tiếp
p-n được thực hiện bởi độ khuếch đại quang (do sự giam giữ mật độ hạt tải trong một

vùng giới hạn như trên hình 1.4) hay do chiết suất của vật liệu ở tâm vùng tích cực cao
hơn các vùng xung quanh theo hướng song song với lớp chuyển tiếp. Sự giam giữ ánh
sáng trong vùng tích cực theo hướng vuông góc với chuyển tiếp p-n được thực hiện
bởi lớp tích cực có chiết suất cao hơn các lớp vỏ như trên hình 1.3. Tuy nhiên, do là
dẫn sóng điện môi nên một phần sóng quang lan truyền ra các lớp vỏ ( hình 1.3d) và ta
có hệ số nhốt quang
a
 (tỉ lệ giữa phần ánh sáng bên trong lớp tích cực trên toàn bộ ánh
sáng lan truyền cả trong lớp tích cực và các lớp vỏ) . Các loại laser dẫn hướng chiết
suất (ví dụ loại laser chuyển tiếp dị thể vùi BH, laser gò) thường có dòng ngưỡng phát
laser thấp, công suất quang lối ra cao hơn laser dẫn hướng độ khuếch đại (laser dải
hình học).
Laser giếng lượng tử (QW) là các laser bán dẫn có lớp tích cực với cấu trúc
giếng lượng tử, có các laser với giếng lượng tử đơn(SQW) và đa giếng lượng tử
(MQW). Các laser giếng lượng tử có nhiều tính chất tuyệt vời như dòng ngưỡng thấp,
hiệu suất lượng tử vi phân cao, tốc độ biến điệu cao, chirp thấp và độ bán rộng phổ
nhỏ.
Cấu trúc tổng thể của laser giếng lượng tử cũng giống như các loại laser bán
dẫn khối nói trên, nghĩa là gồm các lớp epitaxi phủ trên đế bán dẫn. Lớp tích cực khác
ở chỗ gồm một hay nhiều lớp epitaxi có độ dày vài nm tới ~ 10 nm tạo nên cấu trúc
giếng lượng tử. Cấu trúc đơn giếng lượng tử dẫn tới làm giảm hệ số nhốt quang trong
vùng tích cực

do độ dày lớp tích cực giảm nên dòng ngưỡng phát laser tăng. Để có giá
trị
a
 lớn các cấu trúc giếng lượng tử được phát triển. với cấu trúc đa giếng lượng tử
MQW, khi đó hệ số nhốt quang 
a
tăng lên do có nhiều lớp giếng lượng tử ở vùng

11

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

giam giữ quang. Vì vậy, đa phần các laser bán dẫn hiện nay được chế tạo là các laser
đa giếng lượng tử.
Ngoài các laser phát cạnh phổ biến, người ta cũng thiết kế chế tạo các loại laser
phát mặt (VCSEL), nghĩa là ánh sáng laser được phát ra từ bề mặt phía trên của chíp
laser với cấu trúc khối hay giếng lượng tử. Như đã nhắc tới ở trên, các laser đơn tần
DFB, DBR với các cấu trúc cách tử gần vùng tích cực cũng được thiết kế chế tạo.
Các laser bán dẫn công suất cao với công suất quang lối ra từ vài trăm mW cho
tới vài W cho đơn chip laser có nguyên lý hoạt động tương tự như nêu trên. Tuy nhiên,
để có thể hoạt động ở chế độ dòng bơm lớn, mật độ công suất quang lối ra cao, độ dày
vùng tích cực thường lớn (~1µm) so với độ dày vùng tích cực rất nhỏ của laser bán
dẫn công suất thấp (~0,2 ÷ 0,3 µm). Đồng thời độ rộng vùng phát xạ hay vùng tích cực
thường lớn ( ~ 60 ÷ 200 µm). Vì vậy, dòng ngưỡng phát laser cũng như dòng hoạt
động của laser bán dẫn công suất cao lớn ( vài trăm mA tới vài A cho đơn chip laser).
Các mặt gương của chip laser diode công suất cao có thể được phủ lớp chống phản xạ
ở một mặt hoặc cả hai mặt (một mặt có độ phản xạ cao và một mặt có độ phản xạ
thấp). Các laser bán dẫn công suất cao có cấu trúc diện rộng BA hoặc cấu trúc dẫn
sóng gò hoặc các cấu trúc đặc biệt khác nhằm mục đích tăng công suất quang lối ra
hoặc cải thiện chất lượng chùm tia laser. Các laser bán dẫn công suất cao được đặc biệt
chú trọng về vấn đề tản nhiệt, thông thường chúng được hàn lên đế tản nhiệt dưới dạng
cực dương nối vỏ (p-down) để tản nhiệt tốt hơn. Các yêu cầu về dòng hoạt động cũng
như vấn đề tản nhiệt ngặt nghèo hơn nhiều so với laser bán dẫn công suất thấp để đảm
bảo độ ổn định hoạt động cũng như tuổi thọ của laser.

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn
1.2.1. Đặc trưng dòng bơm – công suất quang của laser bán dẫn
Đặc trưng công suất quang dòng

bơm là đặc trưng quan trọng nhất của
laser bán dẫn , đây là đặc trưng phi
tuyến và gồm có hai phần: phần biểu thị
cho bức xạ tự phát (hay huỳnh quang) ở
bên dưới dòng ngưỡng phát laser I
th
và
phần phát laser khi dòng bơm ở trên
ngưỡng phát. Khi tăng dòng bơm đến
một giá trị nào đó, mật độ hạt tải bơm
vào vùng tích cực của laser đạt đến giá
trị ngưỡng n
th
dẫn tới trạng thái đảo mật
độ tích lũy hạt tải và bức xạ laser xảy ra.
P
I
th
I
I


P


Vùng


bão hoà

Hình 1.5:
Đặc trưng công suất quang -
dòng bơm (P-I) của laser bán dẫn
12

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Giá trị dòng bơm này là ngưỡng phát laser I
th
. Đối với dòng bơm trên ngưỡng phát
laser mật độ hạt tải có giá trị không đổi và bằng mật độ hạt tải ngưỡng n
th
. Từ đặc
trưng P-I, người ta có thể xác định hiệu suất độ dốc
∆
∆
. Nếu dòng ngưỡng phát laser
thấp (vài mA), độ dốc đặc trưng lớn và dòng bơm làm laser bị bão hoà cao nghĩa là
laser có chất lượng tốt.
Nếu biểu diễn hiệu suất lượng tử nội ( xác suất tái hợp bức xạ của hạt tải tiêm
vào vùng tích cực) là ηi, ta có thể viết công thức cho công suất quang sinh ra bởi bức
xạ cưỡng bức bên trong buồng cộng hưởng của laser như sau [9]:


=






ℎ(1.6)
Một phần công suất quang này bị tiêu tán do các mất mát nội trong buồng cộng
hưởng của laser (α), phần còn lại thoát ra khỏi buồng cộng hưởng sau khi chịu sự mất
mát do gương là (1/L)ln(1/R). Như vậy, ta có thể viết công suất quang lối ra của laser
như sau [9]:


=
(
−

)
∗

∗ℎ

∗

1

ln(
1

)
+
1

ln(
1


)
(1.7)
Trong đó: 

: dòng ngưỡng phát laser
: hệ số mất mát nội
: điện tích của một điện tử
: hệ số phản xạ của mặt buồng cộng hưởng
: chiều dài buồng cộng hưởng
Từ công thức (1.7) ta có hiệu suất lượng tử ngoại của laser:



= 




ln
1


+ 1(1.8)
1.2.2 Đặc trưng dòng - thế ( I-V)
Đặc trưng dòng thế I -V là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện bơm
chạy qua laser diode và điện thế đặt trên chuyển tiếp. Với dòng bơm rất nhỏ, điện thế
tăng rất nhanh và khi đạt đến mức điện thế phân cực thuận đặt trên chuyển tiếp laser
thì tốc độ tăng của thế so với dòng giảm đi. Điều này chứng tỏ điện trở laser là phi
tuyến và nó phụ thuộc vào dòng bơm. Khi chưa có điện áp phân cực thì điện trở laser
rất lớn. Còn khi đã đạt tới điện áp phân cực thuận thì điện trở của laser diode giảm

xuống còn rất nhỏ.
13

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Từ đặc trưng trên ta xác định được sụt thế thuận trên chuyển tiếp V
F
.

1.2.3 Đặc trưng phân bố không gian trường xa
Do lớp tích cực của laser diode bán dẫn có kích thước nhỏ và tính chất hai mặt
phản xạ ở hai mặt gương buồng cộng hưởng quang, do đó không tạo ra được sự hội tụ.
Điều đó dẫn tới laser bán dẫn có độ phân kì của chùm tia ra lớn hơn so với các loại
laser khác. Dạng chùm ra của laser bán dẫn là không đối xứng, điều này xuất phát từ
tính chất không đối xứng của kích thước lớp tích cực (độ dày d=0,1~0,3 μm, độ rộng
w=3~5 μm, từ đó ta có w>>d). Phân bố không gian trường gần và trường xa tạo nên
cấu trúc mode ngang của laser bán dẫn.
Khi đặt màn chắn sát mặt laser (phân bố trường gần) ta sẽ thu được vệt sáng
mà cường độ sáng của nó biểu thị mật độ của chùm ra. Số lượng vệt sáng và sự sắp
xếp vị trí không gian vết sáng tùy thuộc vào kích thước miền tích cực và công suất
quang ra.
Trong thực tế, người ta chú ý
hơn tới phân bố không gian trường xa
(phân bố ở khoảng cách rất lớn so với
kích thước vùng tích cực) đường biểu
diễn phân bố không gian trường xa
là đuờng cong của công suất quang ra
và nó phụ thuộc vào góc. Khi công
suất bức xạ thay đổi, đường biểu diễn
phân bố không gian trường xa sẽ thay

đổi theo.
Ta có các công thức tính góc
phân kỳ theo hai chiều vuông góc và

Hình 1.6: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn

Hình 1.7: Sơ đồ trường xa và trường gần
c
ủa laser

14

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

song song với lớp tích cực:


=


;

=


(1.9)
Với : bước sóng phát laser
d: bề dày lớp tích cực
w: bề rộng lớp tích cực



và 

: là các góc được biểu diễn trong hình 1.7

1.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đặc trưng laser bán dẫn
Làm lạnh hay làm mát là quá trình kỹ thuật giữ cho nguồn nhiệt (laser bán dẫn)
tại một nhiệt độ mong muốn. Tiến trình làm mát thực hiện loại bỏ phần nhiệt lượng
được tạo ra do lượng công suất điện P
el
duy trì hoạt động của laser bán dẫn không
được chuyển đổi thành công suất quang P
opt
, mà chuyển đổi thành công suất nhiệt
P
th
=P
el
- P
opt

Điện trở nhiệt R
th
của một vùng cần loại bỏ nhiệt hay tản nhiệt (nguồn nhiệt +
vùng nhiệt) được định nghĩa như là sự khác biệt nhiệt độ giữa điểm nóng nhất và
điểm lạnh nhật trong vùng này mà được tạo ra bởi 1W của công suất nhiệt [3]:


=
∆



(1.10)
Nhiệt của laser bán dẫn chủ yếu được tạo ra trong lớp tích cực – vùng tạo ra và
dẫn hướng ánh sáng trong dẫn sóng của bộ phát laser. Điểm nóng nhất trong một laser
bán dẫn được định vị tại điểm giao nhau của ống dẫn sóng và mặt trước, điểm lạnh
nhất trong laser bán dẫn được định vị ở vị trí nào đó tại biên của luồng nhiệt- ví dụ, tại
lối vào của nước trong trường hợp được làm lạnh bằng nước.
Nhiệt độ của laser bán dẫn ảnh hướng tới tính chất điện quang như hiệu suất và
tính tin cậy. Để hiểu rõ hơn chúng ta sẽ tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ trong những
tính chất của laser bán dẫn
1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng P-I
Đối với laser bán dẫn, khi nhiệt độ tăng, mật độ dòng ngưỡng J
th
tăng và hiệu
suất lượng tử vi phân ngoại giảm như trên hình 1.8:
Sự phụ thuộc của mật độ dòng ngưỡng J
th
vào nhiệt độ được xác định bởi [8] :


= 

exp




(1.11)
15

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan


Với J
th0
là hệ số, T
j
nhiệt độ trong vùng tích cực hay là nhiệt độ chuyển tiếp p-n,
T
0
là nhiệt độ đặc trưng. T
0
lớn dẫn tới dJ
th
/dT
j
nhỏ nghĩa là laser tốt hơn. Tuy nhiên
cũng cần thận trọng khi đánh giá laser theo T
0
vì khi J
th
lớn hơn dẫn tới J
0
lớn hơn
trong khi dJ
th
/dT
j
= hằng số. Vì vậy, khi các laser có cùng J

th
ở tại một nhiệt độ thì T
0

mới đánh giá đúng chất lượng laser. Việc tăng J
th
khi T
j
tăng gây ra bởi sự mở rộng
phổ khuếch đại và sự tràn của hạt tải bên trên các rào thế dị chất. Để giảm sự tràn này
cần tăng rào thế ∆Eg giữa lớp tích cực và các lớp vỏ xung quanh. ∆Eg cần lớn hơn
0,3eV. Hiệu suất ή
d
giảm khi T
j
tăng do nồng độ hạt tải ngưỡng ή
th
tăng theo J
th
làm
tăng sự hấp thụ hạt tải tự do. Trong các laser InGaAsP/InP (λ=1,3μm) T
0
~70K (trong
dải 25
0
C -65
0
C). T
0
nhỏ hơn với laser AlGaAs/GaAs vì do sự tràn qua rào thế mạnh

hơn do khối lượng hiệu dụng của hạt tải điện tử nhẹ hơn và do các tái hợp không bức
xạ gây ra bởi các quá trình Auger và sự hấp thụ ở vùng hóa trị.
Sự phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ của laser bán dẫn là một nhược điểm lớn của
nó. Điều này làm hạn chế hoạt động trong các ứng dụng cụ thể. Vì vậy điểm quan
trọng là phải ổn định được nhiệt độ làm việc của nó trong sự biến đổi nhiệt độ.
1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất quang điện
Tính chất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, do vậy các thông số thuộc
tính của laser bán dẫn như dòng ngưỡng I
th
và hiệu suất độ dốc 

. Cách hoạt động
theo nhiệt độ của chúng như công thức 1.11 có thể được biểu diễn lại bởi mối quan hệ
của dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc theo hàm mũ như sau [3]:


(
+ Δ
)
= 

(

)




(1.12)
Và 


(
+Δ
)
= 

(

)





(1.13)

Hình 1.8: Đặc trưng P-I của hai loại laser bán dẫn với hai nhiệt
độ đặc trưng T
0
khác nhau
16

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Khi T
0
là nhiệt độ đặc trưng của dòng ngưỡng và T
1
là nhiệt độ đặc trưng của
hiệu suất độ dốc.Tăng nhiệt độ laser bán dẫn để tăng dòng ngưỡng của nó và giảm

hiệu suất độ dốc. Kết quả, công suất quang lối ra [3]:


(

)
= 

(

)
−

(

)
(1.14)
sẽ giảm và bởi vậy hiệu suất điện quang cũng sẽ giảm



=




(1.15)

Nếu quyết định tăng dòng điện để công suất điện lối vào duy trì công suất
quang lối ra ban đầu thì hiệu suất điện quang sẽ giữ tại một mức thấp hơn. Bảng 1.1

đưa ra tính toán ví dụ cho những thông số laser tại nhiệt độ T và T+Δ sử dụng I
th
=
15A, 

= 1.11/, T
0
=120K, T
1
= 500K và Δ= 10
Nhiệt độ Dòng hoạt động,
I(A)
Công suất quang lối
ra, P
out
(W)
Hiệu suất điện
quang,


(
%
)

T 60.0 50.0 46.8
T+10K 60.0 47.6 44.6
T+10K 62.2 50.0 44.9
Bảng 1.1:Sự ảnh hưởng của nhiệt độ tăng trong thông số laser
Tóm lại, dựa trên những giá trị được đề cập ở trên, sự tăng nhiệt độ Δ< 


tạo ra sự mất mát công suất quang lối ra gần như tuyến tính là 1W với 4K.
Như vậy, trong chương này chúng tôi trình bày những khái niệm cơ bản và
những đặc trưng quan trọng của laser bán dẫn. Đồng thời, ta cũng thấy sự phụ thuộc
vào nhiệt độ của một số thông số của laser bán dẫn là rõ ràng, từ đó nhu cầu thiết kế
chế tạo nguồn cấp dòng và bộ ổn định nhiệt độ cho linh kiện là thực sự cần thiết.






17

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN
ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

2.1 Tìm hiểu về nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao
Như chương 1 chúng ta đã trình bày, laser bán dẫn là một thiết bị bán dẫn có
thể phát ra ánh sáng. Nguyên lý làm việc của laser dựa trên phát xạ kích thích của điện
tử. Đặc trưng chính của laser bán dẫn là sự phụ thuộc giữa dòng bơm vào laser I
LD
và
mật độ ánh sáng lối ra L
LD
. Đường cong này được chỉ ra trên hình 2.1
Ta có thể quan sát trên hình 2.1, có 3 phần trong đường cong L/I. Trong điều
kiện làm việc thông thường, phần thứ 2 (phát xạ kích thích) thường được sử dụng. Đó

là đường tuyến tính và thỏa mãn nhiều yêu cầu ứng dụng.
Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ (vài mΩ). Điều này dẫn tới một thực tế
rằng khi có một sự thay đổi nhỏ trong điện thế đặt vào, sẽ có một sự thay đổi rất lớn
trong dòng qua laser. Vì điều này, nguồn điện đặt vào laser phụ thuộc chủ yếu vào
dòng qua laser trong khi điện áp gần như là không đổi. Do vậy, nguồn cấp cho laser
thường là nguồn dòng là nguồn lấy dòng điện làm chuẩn, điện áp phụ thuộc vào tải.
Chúng ta phải xem xét một vài yếu tố của nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn trước khi
chọn một nguồn cấp dòng laser trong từng ứng dụng cụ thể [6].
2.1.1 Một vài yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn
a. Điện áp so với dòng
Laser bán dẫn là thiết bị được điều khiển dòng với sự thay đổi của trở kháng tải
phụ thuộc và dòng điều khiển. Mặc dù thực tế, chúng thường được điều khiển với

Hình 2.1: Đường cong L/I của laser diode
18

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

nguồn công suất có điện áp ra phù hợp. Nguồn thế, điển hình là nguồn công suất phù
hợp, được thiết kế để tạo một điện áp dốc tốt tại thời điểm khởi động, cho phép dòng
điều chỉnh theo yêu cầu của tải. Tuy nhiên, điểm hoạt động của hầu hết laser bán dẫn
được đặc trưng bởi trở kháng vi phân thấp (dV/dI), sự thay đổi nhỏ trong điện áp gây
ra sự thay đổi lớn trong dòng điều khiển. Do đó, sử dụng nguồn thế thông thường dẫn
đến sự ổn định công suất kém và tăng nguy cơ quá dòng điều khiển tới đi ốt. Cho nên,
người sử dụng phải làm dốc thoai thoải cho điện áp nguồn công suất để tránh dòng
đỉnh có thể gây nguy hiểm cho laser.
Ngược lại, một nguồn dòng giữ cho dòng luôn ổn định trong khi điều chỉnh
điện áp ra bù cho sự thay đổi trong trở kháng tải, điều đó cho phép điều khiển công
suất trên một miền trở kháng rộng và cung cấp một sự ổn định tương đối cao, dễ dàng
sử dụng, và an toàn trong điều khiển laser bán dẫn.

Giá thành cao của linh kiện laser bán dẫn công suất cao cũng làm cho sự bảo vệ
linh kiện là sự xem xét chính trong việc chọn lựa nguồn dòng. Bảo vệ linh kiện liên
quan tới ba phần: bảo vệ xung tức thời (transient protection), điều khiển dòng lối ra
giới hạn và giám sát nhiệt độ [6].
b. Bảo vệ xung tức thời
Để tránh sự phóng điện tĩnh (ESD) – một bộ điều khiển laser bán dẫn phải giữ
sự kết nối đầu ra tại cùng một điện thế ở chế độ làm việc khi nguồn dòng tắt để làm
nhỏ nhất khả năng nguy hiểm ESD. Thông thường người ta sử dụng một rơle trên lối
ra của nguồn nuôi được đóng lại làm ngắn mạch các điện cực của laser bán dẫn khi
nguồn dòng tắt.
Đồng thời, cần đảm bảo nguồn dòng không gây ra xung tức thời khi lối ra được
nối với linh kiện laser tại thời điểm bật nguồn. Một nguồn dòng nên có dòng lối ra có
độ dốc thoai thoải tới mức mong muốn nghĩa là tăng dần từ 0 đến mức giá trị dòng
mong muốn trong một thời gian nhất định , để tránh xung tức thời khi nguồn được bật.
Thêm vào đó, thiết bị đo nên cung cấp một phương pháp để khử xung tức thời
kết hợp từ tầng nguồn đầu vào AC. Điều này liên quan đến tính chất của các biến thế
hạ áp, các cuộn cảm, thường được dùng với bộ lọc nguồn đầu vào phù hợp [4].
c. Giới hạn nhiệt độ và công suất
Sự thay đổi đột ngột trong trở kháng của mạch dẫn đến sự thay đổi trong điện
áp điều khiển từ nguồn dòng. Bởi vậy một nguồn điều khiển mà cho phép người sử
dụng thiết lập dòng giới hạn trên dòng lối ra đã chọn sẽ giảm cơ hội của điều khiển
thiết bị quá dòng ngẫu nhiên. Thiết bị đo thông thường thực hiện sự bảo vệ này bởi
hoặc ngắt lối ra hoặc kiểm soát lối ra tới giới hạn do người sử dụng thiết lập khi dòng
hoặc thế đạt tới giá trị giới hạn.
19

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

Khả năng giám sát bằng cảm biến nhiệt độ cho phép người sử dụng thiết lập
một nhiệt độ giới hạn mà ở đó công suất lối ra cấp cho laser bán dẫn được tự động tắt

tại giới hạn nhiệt độ đã thiết lập.
Ngoài việc giám sát nhiệt độ của laser, cũng nên giám sát nhiệt độ ở bên trong
của nguồn nuôi laser. Sự thông gió kém của nguồn nuôi có thể gây ra tải nhiệt quá
mức, điều này có thể làm thành phần bên trong nguồn nuôi trở nên quá nóng, gây nguy
hiểm cho nguồn nuôi và ảnh hưởng tới độ chính xác của dòng ra lối ra.
Người sử dụng cần chú ý không chọn một nguồn cấp dòng mà cung cấp công
suất lối ra nhiều hơn đáng kể so với yêu cầu được đòi hỏi thực tế. Những thông số như
dòng lối ra, độ chính xác điểm đặt, nhiễu, khử xung tức thời và độ chính xác thước đo
dòng thường tỉ lệ với công suất lối ra lớn nhất. Bởi vậy, cần chắc chắn rằng nguồn cấp
dòng được lựa chọn phù hợp với yêu cầu về độ chính xác cũng như với yêu cầu về
công suất lối ra [4].

2.1.2 Nguồn xung và nguồn một chiều cấp dòng cho laser bán dẫn.
a. Nguồn xung
Với những ưu điểm như thể tích nhỏ, hiệu quả cao, thời gian sử dụng dài và giá
thành thấp, laser diode xung được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như laser
viễn thông, laser radar, chụp ảnh tốc độ cao, laser đo khoảng cách và hệ thống ảnh 3
chiều…. Để nhận được xung quang cực ngắn với chất lượng cao, laser bán dẫn cần
được điều khiển bởi xung điện cực hẹp. Ảnh hưởng của nguồn điều khiển Laser bán
dẫn trên đặc trưng quang lối ra là khá quan trọng. Trong những năm gần đây, tập trung
vào các khía cạnh của điều khiển tốc độ cao, dòng xung đỉnh cao, độ ổn định cao,
nhiều mạch được phát triển trong công nghệ điều khiển laser đặc biệt là trong nguồn
dòng xung có đỉnh cao và hẹp. Transistor MOSFET (metal-oxide-semiconductor field
effect transistor) là loại linh kiện điều khiển công suất bằng điện áp, MOSFET có
nhiều đặc điểm như trở kháng đầu vào cao, dòng điều khiển thấp, điện áp chịu đựng
cao, dòng làm việc đỉnh cao, công suất lối ra cao, tốc độ chuyển mạch nhanh và không
có hiện tưởng đánh thủng thứ hai. Trong phần này, chúng tôi sẽ đưa ra một mạch phát
xung tham khảo sử dụng MOSFET công suất [7]. Trên cơ sở đó chúng tôi sẽ thiết kế
một mạch phát xung phù hợp với điều kiện cụ thể của từng ứng dụng.
Sơ đồ khối của mạch nguồn xung cơ bản dựa trên MOSFET công suất được chỉ

ra trên hình 2.2. Nguồn xung gồm một mạch xung trigơ, bộ tạo dạng xung, mạch điều
khiển công suất, bộ biến đổi DC-DC. Mạch xung trigơ tạo ra dạng sóng hình chữ nhật
với tần số điều chỉnh được. Bộ tạo dạng xung biến đổi dạng sóng hình chữ nhật thành
xung hẹp với độ rộng xung cỡ ns. Mạch điều khiển công suất khuếch đại tín hiệu điện
áp của xung hẹp tới dòng xung có đỉnh cao và tốc độ cao điều khiển laser bán dẫn
20

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan

phát ra xung ánh sáng. Ta có thể thấy rằng tần số của dòng xung điều khiển laser bán
dẫn thuộc trách nhiệm của mạch xung trigơ, độ rộng xung được điều khiển bởi bộ tạo
dạng xung và biên độ dòng được điều chỉnh trong mạch điều khiển công suất. Bộ biến
đổi DC-DC cung cấp điện áp 1 chiều cấp cho từng thành phần trong mạch [7].

Hình 2.2: Sơ đồ logic của nguồn xung
Mạch nguyên lý của nguồn phát xung sử dụng MOSFET công suất được thể
hiện trên hình 2.3

Hình 2.3:Mạch nguyên lý của nguồn xung sử dụng MOSFET công suất
Tương đương với sơ đồ logic của nguồn xung thì bộ định thời 555 đóng vai trò
là mạch xung trigơ tạo dạng sóng hình chữ nhật có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi
giá trị của điện trở R
1
và tụ C
2
. IC SN74123N đóng vai trò bộ tạo dạng xung vứi độ
rộng xung phụ thuộc vào điện trở R
2
và tụ C
3

.V
cc1
và V
cc2
được tạo ra nhờ bộ biến đối
DC-DC và 2 MOSFET công suất đóng vai trò điều khiển công suất trong mạch tạo ra
dòng xung có đỉnh cao và tốc độ cao điều khiển laser bán dẫn.
b. Nguồn dòng một chiều
Một nguồn dòng lý tưởng có dòng lối ra không đổi, tuyến tính, không nhiễu và
có độ chính xác cao. Trong thực tế có rất nhiều loại nguồn dòng khác nhau. Nguồn
dòng điện trở, nguồn dòng tích cực (sử dụng các thiết bị tích cực như transistor),