Аналіз будови та принципу дії напівпровідникових лазерів.
Лазер на арсеніді галію (GaAs) використовується як приклад для представлення принципу роботи інжекційного гомоперехідного лазера.
1. Принцип осциляції інжекційного гомоперехідного лазера. Завдяки тому, що сам напівпровідниковий матеріал має особливу кристалічну структуру та електронну структуру, тому формування лазерного механізму має свої особливості.
(1) Енергетична зонна структура напівпровідника. Напівпровідникові матеріали мають переважно кристалічні структури. Коли велика кількість атомів керує і щільно об’єднується в кристал, валентні електрони в кристалі знаходяться в енергетичній зоні кристала. Енергетична зона, в якій розташовані валентні електрони, називається валентною зоною (що відповідає меншій енергії). Найближча зона високої енергії до валентної зони називається зоною провідності, а порожній простір між енергетичними зонами називається забороненою зоною. Коли додається зовнішнє електричне поле, електрони у валентній зоні переходять у зону провідності, де вони можуть вільно рухатися та проводити електрику. У той же час втрата електрона у валентній зоні еквівалентна виникненню позитивно зарядженої дірки, ця дірка в ролі зовнішнього електричного поля також може відігравати провідну роль. Таким чином, дірка у валентній зоні та зона провідності електронів виконують провідну роль, яку разом називають носіями.
(2) легований напівпровідник і pn-перехід. Чистий напівпровідник без домішок, відомий як власний напівпровідник. Якщо власний напівпровідник легований домішковими атомами, то в зоні провідності нижче і вище валентної зони утворюються домішкові енергетичні рівні, відповідно відомі як донорний енергетичний рівень і основний енергетичний рівень.
Напівпровідники з домінуючим енергетичним рівнем називають напівпровідниками n-типу; напівпровідники з домінуючим енергетичним рівнем називають напівпровідниками р-типу. При кімнатній температурі тепло може зробити напівпровідники n-типу, більшість донорних атомів дисоціюють, в яких електрон збуджується в зону провідності, стають вільними електронами. Більшість атомів-господарів напівпровідників p-типу захоплюють електрони у валентній зоні та утворюють дірки у валентній зоні. Таким чином, напівпровідники n-типу в основному проводять електрони в зоні провідності; Напівпровідники p-типу в основному проводять через дірки у валентній зоні.
Напівпровідникові матеріали, що використовуються в напівпровідникових лазерах, мають велику концентрацію легування, причому кількість атомів домішок n-типу зазвичай становить (2-5) × 1018 см-1; p-тип становить (1-3) × 1019 см-1.
У шматку напівпровідникового матеріалу область, де відбувається різкий перехід від області p-типу до області n-типу, називається pn-переходом. На її межі утворюється область просторового заряду. електрони в зоні напівпровідника n-типу повинні дифундувати в p-область, тоді як дірки у валентній зоні напівпровідника p-типу повинні дифундувати в n-область. Таким чином, область n-типу поблизу структури заряджена позитивно, оскільки вона є донором, а область p-типу поблизу переходу заряджена негативно, оскільки вона є приймачем. Електричне поле утворюється на межі розділу, що вказує від n-області до p-області, яке називається самосформованим електричним полем. Це електричне поле перешкоджає подальшій дифузії електронів і дірок.
(3) механізм збудження електричної інжекції pn-переходу. Якщо до напівпровідникового матеріалу, де утворюється pn-перехід, додається позитивна напруга зміщення, p-область з’єднується з позитивним полюсом, а n-область — з негативним. Очевидно, що позитивна напруга електричного поля та pn-перехід самоствореного електричного поля в протилежному напрямку, це послабило самостворене електричне поле на кристалі в дифузії електронів у перешкоді руху, так що n-область вільних електронів у ролі позитивної напруги, а також постійний потік дифузії через pn-перехід до p-області в області переходу в той же час існує велика кількість електронів зони провідності та валентної зони У зоні з’єднання одночасно є велика кількість електронів у зоні провідності та дірка у валентній зоні, вони будуть інжектовані в область для отримання композиту, коли електрони в зоні провідності перескакують до валентної діапазон, надлишок енергії у вигляді випромінюваного світла. Це механізм польової люмінесценції напівпровідника, таке спонтанне складне світіння називається спонтанним випромінюванням.
Щоб pn-перехід виробляв лазерне світло, необхідно сформувати структуру стану розподілу інверсії частинок, потрібно використовувати сильно леговані напівпровідникові матеріали, вимагає ін’єкції струму pn-переходу достатньо великого (наприклад, 30,{{3} }А / см2). Таким чином, у pn-переході локальної області можна сформувати зону провідності в електронах більше, ніж кількість дірок у валентній зоні інверсії розподілу стану, таким чином генеруючи збуджене композитне випромінювання та випущене лазерне світло .
2. Структура напівпровідникового лазера. Його форма і розмір у малопотужного напівпровідникового транзистора майже однакові, тільки в оболонці більше одного вихідного вікна лазера. Затиснутий з областю з’єднання p-області та n-області, виготовленої з шарів, площа з’єднання має товщину в десятки мікрометрів, площа приблизно менше 1 мм2.
Напівпровідниковий лазерний оптичний резонансний резонатор - це використання площини pn-переходу, перпендикулярної до природного складу поверхні розчину (поверхня 110), він має коефіцієнт відбиття 35, був достатнім, щоб викликати лазерні коливання. Якщо вам потрібно збільшити відбивну здатність, можна нанести на поверхню кристала шар кремнезему, а потім шар плівки металевого срібла, ви можете отримати більше 95% відбивної здатності.
Після того, як напівпровідниковий лазер буде додано до прямої напруги зміщення, кількість частинок у зоні переходу буде змінена на протилежну та складена.
