Ανάλυση δομής και αρχής λειτουργίας λέιζερ ημιαγωγών.
Το λέιζερ αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) χρησιμοποιείται ως παράδειγμα για την εισαγωγή της αρχής λειτουργίας του λέιζερ ομοσύνδεσης με έγχυση.
1. Η αρχή της ταλάντωσης του λέιζερ ομοσύνδεσης με έγχυση. Λόγω του ημιαγωγού το ίδιο το υλικό έχει ειδική κρυσταλλική δομή και ηλεκτρονική δομή, επομένως ο σχηματισμός μηχανισμού λέιζερ έχει τη δική του ιδιαιτερότητα.
(1) Δομή ενεργειακής ζώνης ημιαγωγών. Τα υλικά ημιαγωγών είναι κυρίως κρυσταλλικές δομές. Όταν ένας μεγάλος αριθμός ατόμων κυριαρχεί και συνδυάζεται σφιχτά σε έναν κρύσταλλο, τα ηλεκτρόνια σθένους στον κρύσταλλο βρίσκονται στην ενεργειακή ζώνη του κρυστάλλου. Η ενεργειακή ζώνη στην οποία βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους ονομάζεται ζώνη σθένους (η οποία αντιστοιχεί σε χαμηλότερη ενέργεια). Η πλησιέστερη ζώνη υψηλής ενέργειας στη ζώνη σθένους ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας και ο κενός χώρος μεταξύ των ζωνών ενέργειας ονομάζεται απαγορευμένη ζώνη. Όταν προστίθεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας, όπου μπορούν να κινούνται ελεύθερα και να μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Ταυτόχρονα, η απώλεια ενός ηλεκτρονίου στη ζώνη σθένους είναι ισοδύναμη με την εμφάνιση μιας θετικά φορτισμένης οπής, αυτή η οπή στο ρόλο του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, μπορεί επίσης να παίξει έναν αγώγιμο ρόλο. Επομένως, η οπή στη ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας των ηλεκτρονίων έχουν αγώγιμο ρόλο, που συλλογικά αναφέρονται ως φορείς.
(2) ντοπαρισμένος ημιαγωγός και σύνδεση pn. Καθαρός ημιαγωγός χωρίς ακαθαρσίες, γνωστός ως εγγενής ημιαγωγός. Εάν ο εγγενής ημιαγωγός εμποτιστεί με άτομα ακαθαρσίας, στη ζώνη αγωγιμότητας κάτω και πάνω από τη ζώνη σθένους σχημάτιζε επίπεδα ενέργειας ακαθαρσίας, αντίστοιχα, γνωστά ως επίπεδο ενέργειας δότη και κύριο επίπεδο ενέργειας.
Οι ημιαγωγοί με κυρίαρχο επίπεδο ενέργειας ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου n. Οι ημιαγωγοί με κυρίαρχο επίπεδο ενέργειας ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου p. Σε θερμοκρασία δωματίου, η θερμότητα μπορεί να κάνει ημιαγωγούς τύπου n, τα περισσότερα από τα άτομα δότη διασπώνται, στην οποία το ηλεκτρόνιο διεγείρεται στη ζώνη αγωγιμότητας, γίνονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα περισσότερα από τα άτομα ξενιστή των ημιαγωγών τύπου p συλλαμβάνουν ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους και σχηματίζουν οπές στη ζώνη σθένους. Έτσι, οι ημιαγωγοί τύπου n οδηγούνται κυρίως από ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας. Οι ημιαγωγοί τύπου p οδηγούνται κυρίως από οπές στη ζώνη σθένους.
Τα υλικά ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται σε λέιζερ ημιαγωγών έχουν μεγάλη συγκέντρωση ντόπινγκ, με τον αριθμό ατόμου ακαθαρσίας τύπου n να είναι γενικά (2-5) × 1018 cm-1. ο τύπος p είναι (1-3) × 1019 cm-1.
Σε ένα κομμάτι υλικού ημιαγωγού, η περιοχή όπου υπάρχει μια απότομη αλλαγή από την περιοχή τύπου p στην περιοχή τύπου n ονομάζεται διασταύρωση pn. Στη διεπαφή του θα σχηματιστεί μια περιοχή φορτίου χώρου. Τα ηλεκτρόνια στη ζώνη ημιαγωγών τύπου n πρέπει να διαχέονται στην περιοχή p, ενώ οι οπές στη ζώνη σθένους των ημιαγωγών τύπου p πρέπει να διαχέονται στην περιοχή n. Με αυτόν τον τρόπο, η περιοχή τύπου n κοντά στη δομή είναι θετικά φορτισμένη επειδή είναι ο δότης, και η περιοχή τύπου p κοντά στη διασταύρωση φορτίζεται αρνητικά επειδή είναι ο δέκτης. Ένα ηλεκτρικό πεδίο σχηματίζεται στη διεπαφή που δείχνει από την περιοχή n προς την περιοχή p, που ονομάζεται αυτο-κατασκευασμένο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο εμποδίζει τη συνεχή διάχυση ηλεκτρονίων και οπών.
(3) μηχανισμός διέγερσης ηλεκτρικής έγχυσης σύνδεσης pn. Εάν προστεθεί μια θετική τάση πόλωσης στο υλικό ημιαγωγών όπου σχηματίζεται μια σύνδεση pn, η περιοχή p συνδέεται με τον θετικό πόλο και η περιοχή n στον αρνητικό πόλο. Προφανώς, η θετική τάση του ηλεκτρικού πεδίου και η διασταύρωση pn του αυτο-κατασκευασμένου ηλεκτρικού πεδίου προς την αντίθετη κατεύθυνση, εξασθένησε το αυτοκατασκευασμένο ηλεκτρικό πεδίο στον κρύσταλλο στη διάχυση των ηλεκτρονίων στο εμπόδιο της κίνησης, έτσι ώστε η περιοχή n των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο ρόλο της θετικής τάσης, αλλά και ένα σταθερό ρεύμα διάχυσης μέσω της διασταύρωσης pn στην περιοχή p στην περιοχή διασταύρωσης ταυτόχρονα υπάρχει μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων ζώνης αγωγιμότητας και ζώνη σθένους Στην περιοχή διασταύρωσης ταυτόχρονα υπάρχει μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας και στην οπή στη ζώνη σθένους, θα εγχυθούν στην περιοχή για να παραχθεί ένα σύνθετο, όταν τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας πηδήσουν στο σθένος ζώνη, η περίσσεια ενέργειας με τη μορφή φωτός που εκπέμπεται. Αυτός είναι ο μηχανισμός της φωταύγειας πεδίου ημιαγωγών, αυτή η αυθόρμητη σύνθετη φωταύγεια ονομάζεται αυθόρμητη ακτινοβολία.
Για να γίνει η διασταύρωση pn για την παραγωγή φωτός λέιζερ, πρέπει να σχηματιστεί εντός της δομής της κατάστασης κατανομής αναστροφής σωματιδίων, πρέπει να χρησιμοποιηθούν υλικά ημιαγωγών με μεγάλη πρόσμειξη, απαιτείται η έγχυση του ρεύματος σύνδεσης pn να είναι αρκετά μεγάλο (όπως 30,{{3} }A / cm2). Με αυτόν τον τρόπο, στη διασταύρωση pn της τοπικής περιοχής, μπορεί να σχηματίσει τη ζώνη αγωγιμότητας στο ηλεκτρόνιο περισσότερο από τον αριθμό των οπών στη ζώνη σθένους της αντιστροφής της κατανομής της κατάστασης, δημιουργώντας έτσι τη διεγερμένη σύνθετη ακτινοβολία και το εκδιδόμενο φως λέιζερ .
2. Δομή λέιζερ ημιαγωγών. Το σχήμα και το μέγεθός του και το τρανζίστορ ημιαγωγών χαμηλής ισχύος είναι σχεδόν το ίδιο, μόνο στο κέλυφος περισσότερα από ένα παράθυρα εξόδου λέιζερ. Συσφίγγεται με την περιοχή σύνδεσης της περιοχής p και της περιοχής n από στρώματα, η περιοχή διασταύρωσης έχει πάχος δεκάδων μικρομέτρων, η περιοχή είναι περίπου μικρότερη από 1 mm2.
Ημιαγωγική οπτική κοιλότητα συντονισμού λέιζερ είναι η χρήση του επιπέδου διασταύρωσης pn κάθετου στη σύνθεση επιφάνειας φυσικής λύσης (110 επιφάνεια), έχει ανακλαστικότητα 35, ήταν επαρκής για να προκαλέσει ταλάντωση λέιζερ. Εάν πρέπει να αυξήσετε την ανακλαστικότητα μπορεί να επιμεταλλωθεί στην κρυσταλλική επιφάνεια ενός στρώματος πυριτίου, και στη συνέχεια ένα στρώμα από μεταλλικό φιλμ αργύρου, μπορείτε να πάρετε περισσότερο από το 95% της ανακλαστικότητας.
Μόλις το λέιζερ ημιαγωγών προστεθεί στην τάση πόλωσης προς τα εμπρός, ο αριθμός των σωματιδίων στην περιοχή διασταύρωσης θα αντιστραφεί και θα γίνει σύνθετος.
