Analiza strukture i principa rada poluvodičkih lasera.
Galijev arsenid (GaAs) laser se koristi kao primjer za uvođenje principa rada injektiranog homojunkcionog lasera.
1. Princip oscilovanja injektiranog homojunkcionog lasera. Zbog samog poluprovodničkog materijala ima posebnu kristalnu strukturu i elektronsku strukturu, tako da formiranje laserskog mehanizma ima svoju posebnost.
(1) Struktura energetskog pojasa poluprovodnika. Poluvodički materijali su uglavnom kristalne strukture. Kada vlada veliki broj atoma koji su čvrsto spojeni u kristal, valentni elektroni u kristalu su u energetskom pojasu kristala. Energetski pojas u kojem se nalaze valentni elektroni naziva se valentni pojas (koji odgovara nižoj energiji). Najbliži visokoenergetski pojas valentnom pojasu naziva se provodni pojas, a prazan prostor između energetskih pojasa naziva se zabranjeni pojas. Kada se doda vanjsko električno polje, elektroni u valentnom pojasu skaču u pojas provodljivosti, gdje se mogu slobodno kretati i provoditi elektricitet. Istovremeno, gubitak elektrona u valentnom pojasu je ekvivalentan nastanku pozitivno nabijene rupe, ova rupa u ulozi vanjskog električnog polja može također igrati provodnu ulogu. Stoga, rupa u valentnom pojasu i pojas provodljivosti elektrona imaju provodnu ulogu, zajedno nazvane nosiocima.
(2) dopirani poluvodič i pn spoj. Čisti poluprovodnik bez nečistoća, poznat kao intrinzični poluprovodnik. Ako je intrinzični poluvodič dopiran atomima nečistoća, u pojasu provodljivosti ispod i iznad valentnog pojasa formiraju se energetski nivoi nečistoće, respektivno, poznati kao nivo energije donora i glavni energetski nivo.
Poluprovodnici sa dominantnim energetskim nivoom nazivaju se poluprovodnici n-tipa; poluprovodnici sa dominantnim energetskim nivoom nazivaju se poluprovodnici p-tipa. Na sobnoj temperaturi, toplina može napraviti poluvodiče n-tipa, većina atoma donora je disocirana, u kojoj se elektron pobuđuje na provodni pojas, postaju slobodni elektroni. Većina atoma domaćina poluvodiča p-tipa hvata elektrone u valentnom pojasu i formira rupe u valentnom pojasu. Dakle, poluvodiči n-tipa uglavnom provode elektroni u pojasu provodljivosti; Poluprovodnici p-tipa su uglavnom vođeni rupama u valentnom pojasu.
Poluprovodnički materijali koji se koriste u poluvodičkim laserima imaju veliku koncentraciju dopinga, pri čemu je broj atoma nečistoće n-tipa općenito (2-5) × 1018 cm-1; p-tip je (1-3) × 1019 cm-1.
U komadu poluprovodničkog materijala, područje u kojem dolazi do nagle promjene iz područja p-tipa u područje n-tipa naziva se pn spoj. Na njegovom interfejsu će se formirati region prostornog naboja. elektroni iz n-tipa poluprovodničkog pojasa moraju difundirati u p-područje, dok rupe u valentnom pojasu poluvodiča p-tipa moraju difundirati u n-područje. Na ovaj način, područje n-tipa u blizini strukture je pozitivno nabijeno jer je donor, a područje p-tipa u blizini spoja je negativno nabijeno jer je prijemnik. Električno polje se formira na sučelju koje pokazuje iz n-područja u p-područje, koje se naziva samoizgrađeno električno polje. Ovo električno polje sprečava kontinuiranu difuziju elektrona i rupa.
(3) Mehanizam pobude električnog ubrizgavanja pn spoja. Ako se napon pozitivnog prednapona doda poluvodičkom materijalu gdje se formira pn spoj, p-područje je povezano na pozitivni pol, a n-područje na negativni pol. Očigledno, pozitivni napon električnog polja i pn spoj samoizgrađenog električnog polja u suprotnom smjeru, oslabio je samoizgrađeno električno polje na kristalu u difuziji elektrona u smetnji kretanju, tako da je n područje slobodnih elektrona u ulozi pozitivnog napona, ali i stalan tok difuzije kroz pn spoj u p područje u području spoja istovremeno postoji veliki broj elektrona vodljivog pojasa i valentnog pojasa U području spoja u isto vrijeme postoji veliki broj elektrona u vodljivom pojasu i rupa u valentnom pojasu, oni će biti ubrizgani u područje da bi proizveli kompozit, kada elektroni u vodljivom pojasu skoče na valenciju pojas, višak energije u obliku emitovane svetlosti. Ovo je mehanizam luminescencije polja poluprovodnika, ova spontana spojena luminiscencija se naziva spontano zračenje.
Da bi pn spoj proizveo lasersko svjetlo, mora se formirati unutar strukture stanja distribucije inverzije čestica, treba koristiti jako dopirane poluvodičke materijale, zahtijeva da je struja pn spoja dovoljno velika (kao što je 30,{{3} }A / cm2). Na taj način, u pn spoju lokalnog područja, može formirati pojas provodljivosti u elektronu više od broja rupa u valentnom pojasu inverzije distribucije stanja, stvarajući tako pobuđeno kompozitno zračenje i emitirano lasersko svjetlo .
2. Struktura poluvodičkog lasera. Njegov oblik i veličina i poluvodički tranzistor male snage je gotovo isti, samo u ljusci više od jednog laserskog izlaznog prozora. Stegnuto sa spojnom površinom p-područja i n-područja napravljenim od slojeva, površina spoja je debela desetine mikrometara, površina je oko manje od 1mm2.
Poluvodički laser optička rezonantna šupljina je korištenje pn spojne ravnine okomite na sastav prirodne površine otopine (110 površina), ima reflektivnost od 35, dovoljna je da izazove laserske oscilacije. Ako trebate povećati reflektivnost, na površinu kristala se može nanijeti sloj silicijevog dioksida, a zatim sloj metalnog srebrnog filma, možete dobiti više od 95% reflektivnosti.
Kada se poluprovodnički laser doda prednaponu prednapona, broj čestica u području spoja će biti obrnut i kompozitan.
