Puolijohdelaserien rakenteen ja toimintaperiaatteen analyysi.
Galliumarsenidilaseria (GaAs) käytetään esimerkkinä injektoidun homojunktiolaserin toimintaperiaatteen esittelyssä.
1. Injektoidun homojunktiolaserin värähtelyperiaate. Puolijohdemateriaalilla itsessään on erityinen kiderakenne ja elektroninen rakenne, joten lasermekanismin muodostuksella on oma erityispiirteensä.
(1) Puolijohteen energiakaistarakenne. Puolijohdemateriaalit ovat enimmäkseen kiderakenteita. Kun suuri määrä atomeja hallitsee ja tiiviisti yhdistettynä kiteeksi, kiteessä olevat valenssielektronit ovat kiteen energiakaistalla. Energiavyöhykettä, jossa valenssielektronit sijaitsevat, kutsutaan valenssikaistaksi (joka vastaa alhaisempaa energiaa). Valenssikaistaa lähintä korkean energian kaistaa kutsutaan johtavuuskaistaksi ja energiakaistojen välistä tyhjää tilaa kielletyksi kaistaksi. Kun ulkoinen sähkökenttä lisätään, valenssikaistan elektronit hyppäävät johtavuuskaistalle, jossa ne voivat liikkua vapaasti ja johtaa sähköä. Samaan aikaan elektronin häviäminen valenssikaistalla vastaa positiivisesti varautuneen reiän syntymistä, tämä reikä ulkoisen sähkökentän roolissa voi myös olla johtava rooli. Siksi valenssikaistan aukolla ja elektronien johtavuuskaistalla on johtava rooli, joita kutsutaan yhteisesti kantajiksi.
(2) seostettu puolijohde ja pn-liitos. Puhdas puolijohde ilman epäpuhtauksia, tunnetaan sisäisenä puolijohteena. Jos sisäinen puolijohde on seostettu epäpuhtausatomeilla, valenssikaistan ala- ja yläpuolella olevalla johtavuuskaistalla muodostui vastaavasti epäpuhtausenergiatasoja, jotka tunnetaan luovuttajaenergiatasoina ja pääenergiatasoina.
Puolijohteita, joilla on hallitseva energiataso, kutsutaan n-tyypin puolijohteiksi; Puolijohteita, joilla on hallitseva energiataso, kutsutaan p-tyypin puolijohteiksi. Huoneenlämmössä lämpö voi tehdä n-tyypin puolijohteita, joista suurin osa luovuttavista atomeista dissosioituu, jolloin elektroni virittyy johtavuuskaistalle, muuttuu vapaiksi elektroneiksi. Suurin osa p-tyypin puolijohteiden isäntäatomeista vangitsee elektroneja valenssikaistalla ja muodostaa reikiä valenssikaistalle. Näin ollen n-tyypin puolijohteita johtavat pääasiassa elektronit johtavuuskaistalla; p-tyyppiset puolijohteet johdetaan pääasiassa valenssikaistan reikien kautta.
Puolijohdelasereissa käytetyillä puolijohdeaineilla on suuri seostuspitoisuus, ja n-tyypin epäpuhtauden atomiluku on yleensä (2-5) × 1018 cm-1; p-tyyppi on (1-3) × 1019 cm-1.
Puolijohdemateriaalissa aluetta, jossa tapahtuu äkillinen muutos p-tyypin alueelta n-tyypin alueelle, kutsutaan pn-liitokseksi. Sen rajapinnalle muodostuu avaruusvarausalue. n-tyypin puolijohdekaistan elektronien on diffundoituva p-alueelle, kun taas p-tyypin puolijohteen valenssikaistan reikien on diffundoituva n-alueelle. Tällä tavalla n-tyypin alue lähellä rakennetta on positiivisesti varautunut, koska se on luovuttaja, ja p-tyypin alue lähellä liitoskohtaa on negatiivisesti varautunut, koska se on vastaanotin. n-alueelta p-alueelle osoittavaan rajapintaan muodostuu sähkökenttä, jota kutsutaan itse rakennettuksi sähkökentäksi. Tämä sähkökenttä estää elektronien ja reikien jatkuvan diffuusion.
(3) pn-liitoksen sähköinen injektioviritysmekanismi. Jos puolijohdemateriaaliin lisätään positiivinen esijännite, jossa pn-liitos muodostuu, p-alue kytketään positiiviseen napaan ja n-alue negatiiviseen napaan. Ilmeisesti sähkökentän positiivinen jännite ja itse rakennetun sähkökentän pn-liitos vastakkaiseen suuntaan heikensi kiteen itse rakennettua sähkökenttää elektronien diffuusiossa liikkeen esteenä, niin että vapaiden elektronien n-alue positiivisen jännitteen roolissa, mutta myös tasainen diffuusiovirta pn-liitoksen kautta liitosalueen p-alueelle, samalla kun on suuri määrä johtavuusvyöhykkeen elektroneja ja valenssikaista Liitosalueella on samanaikaisesti suuri määrä elektroneja johtavuuskaistalla ja valenssikaistan reikä, ne ruiskutetaan alueelle komposiitin tuottamiseksi, kun johtavuuskaistan elektronit hyppäävät valenssiin kaista, ylimääräinen energia säteilevän valon muodossa. Tämä on puolijohdekentän luminesenssin mekanismi, tätä spontaania yhdisteluminesenssia kutsutaan spontaaniksi säteilyksi.
Jotta pn-liitos tuottaa laservaloa, on muodostettava hiukkasten inversion jakautumistilan rakenteen sisällä, on käytettävä voimakkaasti seostettuja puolijohdemateriaaleja, tarvitaan pn-liitoksen injektiovirta on riittävän suuri (kuten 30,{{3} }A / cm2). Tällä tavalla paikallisen alueen pn-liitoksessa voi muodostaa elektroniin johtavuuskaistaa enemmän kuin tilanjakauman inversion valenssikaistan reikien lukumäärää, jolloin syntyy virittyneen komposiittisäteilyn ja laservaloa. .
2. Puolijohdelaserrakenne. Sen muoto ja koko sekä pienitehoinen puolijohdetransistori on lähes sama, vain kuoressa useampi kuin yksi lasertulostusikkuna. P-alueen ja n-alueen risteysalueella kerroksittain puristettuna liitosalueen paksuus on kymmeniä mikrometrejä, pinta-ala noin alle 1 mm2.
Puolijohdelaser optinen resonanssi onkalo on käyttö pn liitostaso kohtisuorassa luonnollisen liuoksen pinta (110 pinta) koostumus, sen heijastuskyky on 35, on riittänyt aiheuttamaan laservärähtelyä. Jos haluat lisätä heijastavuutta voidaan pinnoittaa kidepinnalle kerros piidioksidia, ja sitten kerros metallista hopeakalvoa, voit saada yli 95% heijastavuudesta.
Kun puolijohdelaser on lisätty myötäsuuntaiseen biasjännitteeseen, hiukkasten määrä liitosalueella on käänteinen ja yhdistelmä.
