تجزیه و تحلیل ساختار و اصل کار لیزرهای نیمه هادی

تجزیه و تحلیل ساختار و اصل کار لیزرهای نیمه هادی.

لیزر آرسناید گالیم (GaAs) به عنوان نمونه ای برای معرفی اصل کار لیزر همجونکش تزریقی استفاده می شود.

1. اصل نوسان لیزر همجوانکشن تزریقی. با توجه به مواد نیمه هادی خود ساختار کریستالی و ساختار الکترونیکی خاصی دارد، بنابراین تشکیل مکانیزم لیزری ویژگی خاص خود را دارد.

(1) ساختار نوار انرژی نیمه هادی. مواد نیمه هادی بیشتر ساختارهای کریستالی هستند. هنگامی که تعداد زیادی اتم حکومت می کنند و به طور محکم به یک کریستال ترکیب می شوند، الکترون های ظرفیت در کریستال در نوار انرژی کریستالی قرار می گیرند. نوار انرژی که الکترون های ظرفیت در آن قرار دارند، نوار ظرفیت (که مربوط به انرژی کمتر است) نامیده می شود. نزدیکترین باند پرانرژی به باند ظرفیت نوار رسانایی و فضای خالی بین نوارهای انرژی نوار ممنوعه نامیده می شود. هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی اضافه می شود، الکترون های باند ظرفیت به نوار رسانایی می پرند، جایی که می توانند آزادانه حرکت کنند و الکتریسیته را هدایت کنند. در عین حال، از دست دادن یک الکترون در باند ظرفیت معادل ظهور یک حفره با بار مثبت است، این حفره در نقش میدان الکتریکی خارجی نیز می تواند نقش رسانایی داشته باشد. بنابراین، سوراخ در نوار ظرفیت و نوار هدایت الکترون ها نقش رسانایی دارند که در مجموع به آنها حامل می گویند.

(2) نیمه هادی دوپ شده و اتصال pn. نیمه هادی خالص بدون ناخالصی که به عنوان نیمه هادی ذاتی شناخته می شود. اگر نیمه هادی ذاتی با اتم های ناخالصی دوپ شود، در نوار رسانایی زیر و بالای نوار ظرفیت، به ترتیب سطوح انرژی ناخالصی تشکیل می شود که به عنوان سطح انرژی دهنده و سطح انرژی اصلی شناخته می شوند.

نیمه هادی هایی با سطح انرژی غالب، نیمه هادی های نوع n نامیده می شوند. نیمه هادی هایی با سطح انرژی غالب، نیمه هادی های نوع p نامیده می شوند. در دمای اتاق، گرما می تواند نیمه هادی های نوع n بسازد، بیشتر اتم های دهنده جدا می شوند، که در آن الکترون به نوار رسانایی برانگیخته می شود، به الکترون های آزاد تبدیل می شود. بیشتر اتم های میزبان نیمه هادی های نوع p الکترون ها را در نوار ظرفیت جذب می کنند و سوراخ هایی در نوار ظرفیت ایجاد می کنند. بنابراین، نیمه هادی های نوع n عمدتاً توسط الکترون ها در نوار رسانایی هدایت می شوند. نیمه هادی های نوع p عمدتا توسط سوراخ هایی در نوار ظرفیت هدایت می شوند.

مواد نیمه هادی مورد استفاده در لیزرهای نیمه هادی دارای غلظت دوپینگ زیادی هستند و عدد اتم ناخالصی نوع n معمولاً (2-5) × 1018cm-1 است. نوع p است (1-3) × 1019cm-1.

در یک قطعه مواد نیمه هادی، ناحیه ای که تغییر ناگهانی از ناحیه نوع p به ناحیه نوع n وجود دارد، اتصال pn نامیده می شود. یک منطقه بار فضایی در رابط آن تشکیل خواهد شد. الکترون ها در نوار نیمه هادی نوع n باید در ناحیه p منتشر شوند، در حالی که حفره های باند ظرفیت نیمه هادی نوع p باید در ناحیه n منتشر شوند. به این ترتیب ناحیه نوع n نزدیک سازه به دلیل اینکه دهنده است بار مثبت دارد و ناحیه نوع p نزدیک محل اتصال به دلیل اینکه گیرنده است بار منفی دارد. یک میدان الکتریکی در سطح مشترک از ناحیه n به ناحیه p تشکیل می شود که به آن میدان الکتریکی خودساخته می گویند. این میدان الکتریکی از انتشار مداوم الکترون ها و حفره ها جلوگیری می کند.

(3) مکانیسم تحریک تزریق الکتریکی اتصال pn. اگر یک ولتاژ بایاس مثبت به ماده نیمه هادی که در آن یک اتصال pn تشکیل می شود اضافه شود، ناحیه p به قطب مثبت و ناحیه n به قطب منفی متصل می شود. بدیهی است که ولتاژ مثبت میدان الکتریکی و اتصال pn میدان الکتریکی خودساخته در جهت مخالف، باعث تضعیف میدان الکتریکی خودساخته روی کریستال در انتشار الکترون‌ها در ممانعت از حرکت شده است، به طوری که منطقه n از الکترون های آزاد در نقش ولتاژ مثبت، بلکه یک جریان ثابت از انتشار از طریق اتصال pn به منطقه p در ناحیه اتصال در همان زمان تعداد زیادی الکترون باند هدایت و باند ظرفیت وجود دارد. در ناحیه اتصال همزمان تعداد زیادی الکترون در نوار رسانایی و سوراخ در باند ظرفیت وجود دارد، هنگامی که الکترون‌های نوار رسانایی به ظرفیت می‌پرند، برای تولید یک کامپوزیت به منطقه تزریق می‌شوند. باند، انرژی اضافی به شکل نور ساطع شده است. این مکانیسم لومینسانس میدان نیمه هادی است، به این لومینسانس ترکیبی خود به خود تابش خود به خودی می گویند.

برای ایجاد اتصال pn برای تولید نور لیزر، باید در ساختار حالت توزیع وارونگی ذرات تشکیل شود، نیاز به استفاده از مواد نیمه هادی به شدت دوپ شده، نیاز به تزریق جریان اتصال pn به اندازه کافی بزرگ است (مانند 30،{3} }A / cm2). به این ترتیب، در پیوند pn ناحیه محلی، می‌توان باند رسانایی در الکترون را بیش از تعداد سوراخ‌های باند ظرفیت وارونگی توزیع حالت تشکیل داد، در نتیجه تشعشع مرکب برانگیخته و نور لیزر صادر می‌شود. .

2. ساختار لیزر نیمه هادی. شکل و اندازه و ترانزیستور نیمه هادی کم مصرف آن تقریباً یکسان است، فقط در پوسته بیش از یک پنجره خروجی لیزر وجود دارد. گیره با ناحیه اتصال ناحیه p و ناحیه n ساخته شده از لایه ها، ناحیه اتصال ده ها میکرومتر ضخامت دارد، منطقه حدود کمتر از 1 میلی متر مربع است.

حفره تشدید نوری لیزر نیمه هادی استفاده از صفحه اتصال pn عمود بر سطح محلول طبیعی (سطح 110) ترکیب است، دارای بازتاب 35 است، برای ایجاد نوسان لیزر کافی است. اگر نیاز به افزایش بازتاب دارید، می توانید روی سطح کریستالی یک لایه سیلیکا و سپس یک لایه فیلم نقره فلزی آبکاری کنید، می توانید بیش از 95٪ بازتاب را دریافت کنید.

هنگامی که لیزر نیمه هادی به ولتاژ بایاس رو به جلو اضافه می شود، تعداد ذرات در ناحیه اتصال معکوس و کامپوزیت می شود.