Analisi della struttura e del principio di funzionamento dei laser a semiconduttore.
Il laser all'arseniuro di gallio (GaAs) viene utilizzato come esempio per introdurre il principio di funzionamento del laser a omogiunzione iniettata.
1. Il principio di oscillazione del laser a omogiunzione iniettato. Poiché il materiale semiconduttore stesso ha una speciale struttura cristallina e una struttura elettronica, la formazione del meccanismo laser ha una sua particolarità.
(1) Struttura a bande energetiche dei semiconduttori. I materiali semiconduttori sono per lo più strutture cristalline. Quando un gran numero di atomi governa e si combina strettamente in un cristallo, gli elettroni di valenza nel cristallo si trovano nella banda energetica del cristallo. La banda energetica in cui si trovano gli elettroni di valenza è chiamata banda di valenza (che corrisponde a un'energia inferiore). La banda ad alta energia più vicina alla banda di valenza è chiamata banda di conduzione e lo spazio vuoto tra le bande energetiche è chiamato banda proibita. Quando viene aggiunto un campo elettrico esterno, gli elettroni nella banda di valenza saltano alla banda di conduzione, dove possono muoversi liberamente e condurre elettricità. Allo stesso tempo, la perdita di un elettrone nella banda di valenza equivale all'emergere di una lacuna carica positivamente, questa lacuna nel ruolo del campo elettrico esterno può anche svolgere un ruolo conduttivo. Pertanto, la lacuna nella banda di valenza e la banda di conduzione degli elettroni hanno un ruolo conduttivo, collettivamente denominati portatori.
(2) semiconduttore drogato e giunzione pn. Semiconduttore puro senza impurità, noto come semiconduttore intrinseco. Se il semiconduttore intrinseco drogato con atomi di impurità, nella banda di conduzione sotto e sopra la banda di valenza si formano livelli di energia di impurità, rispettivamente noti come livello di energia donatore e livello di energia principale.
I semiconduttori con un livello energetico dominante sono chiamati semiconduttori di tipo n; i semiconduttori con un livello energetico dominante sono chiamati semiconduttori di tipo p. A temperatura ambiente, il calore può rendere i semiconduttori di tipo n, la maggior parte degli atomi donatori sono dissociati, in cui l'elettrone è eccitato alla banda di conduzione, diventando elettroni liberi. La maggior parte degli atomi ospiti dei semiconduttori di tipo p catturano elettroni nella banda di valenza e formano lacune nella banda di valenza. Quindi, i semiconduttori di tipo n sono principalmente condotti da elettroni nella banda di conduzione; i semiconduttori di tipo p sono principalmente condotti da lacune nella banda di valenza.
I materiali semiconduttori utilizzati nei laser a semiconduttore hanno un'elevata concentrazione di drogaggio, con il numero di atomi di impurità di tipo n generalmente pari a (2-5) × 1018cm-1; il tipo p è (1-3) × 1019cm-1.
In un pezzo di materiale semiconduttore, la regione in cui si verifica un brusco cambiamento dalla regione di tipo p alla regione di tipo n è chiamata giunzione pn. Una regione di carica spaziale verrà formata alla sua interfaccia. Gli elettroni nella banda del semiconduttore di tipo n devono diffondersi nella regione p, mentre le lacune nella banda di valenza del semiconduttore di tipo p devono diffondersi nella regione n. In questo modo, la regione di tipo n vicino alla struttura è caricata positivamente perché è il donatore, e la regione di tipo p vicino alla giunzione è caricata negativamente perché è il ricevitore. Un campo elettrico viene formato all'interfaccia che punta dalla regione n alla regione p, chiamato campo elettrico autocostruito. Questo campo elettrico impedisce la continua diffusione di elettroni e lacune.
(3) meccanismo di eccitazione dell'iniezione elettrica della giunzione pn. Se una tensione di polarizzazione positiva viene aggiunta al materiale semiconduttore in cui viene formata una giunzione pn, la regione p è collegata al polo positivo e la regione n al polo negativo. Ovviamente, la tensione positiva del campo elettrico e la giunzione pn del campo elettrico autocostruito nella direzione opposta, hanno indebolito il campo elettrico autocostruito sul cristallo nella diffusione degli elettroni nell'impedimento al movimento, in modo che la regione n degli elettroni liberi nel ruolo della tensione positiva, ma anche un flusso costante di diffusione attraverso la giunzione pn alla regione p nell'area di giunzione allo stesso tempo ci sono un gran numero di elettroni della banda di conduzione e banda di valenza Nell'area di giunzione allo stesso tempo ci sono un gran numero di elettroni nella banda di conduzione e il buco nella banda di valenza, verranno iniettati nella regione per produrre un composito, quando gli elettroni nella banda di conduzione saltano alla banda di valenza, l'energia in eccesso sotto forma di luce emessa. Questo è il meccanismo della luminescenza del campo semiconduttore; questa luminescenza spontanea composta è chiamata radiazione spontanea.
Per far sì che la giunzione pn produca luce laser, deve essere formata all'interno della struttura dello stato di distribuzione di inversione delle particelle, è necessario utilizzare materiali semiconduttori fortemente drogati, richiede l'iniezione di corrente di giunzione pn sufficientemente grande (ad esempio 30,000A / cm2). In questo modo, nella giunzione pn della regione locale, può formarsi la banda di conduzione nell'elettrone più del numero di buchi nella banda di valenza dell'inversione della distribuzione di stato, generando così la radiazione composita eccitata e la luce laser emessa.
2. Struttura laser a semiconduttore. La sua forma e dimensione e il transistor a semiconduttore a bassa potenza sono quasi gli stessi, solo nel guscio più di una finestra di uscita laser. Bloccato con l'area di giunzione dell'area p e dell'area n fatta di strati, l'area di giunzione è spessa decine di micrometri, l'area è circa inferiore a 1mm2.
La cavità risonante ottica del laser a semiconduttore è l'uso del piano di giunzione pn perpendicolare alla superficie della soluzione naturale (superficie 110) composizione, ha una riflettività di 35, è stata sufficiente a causare l'oscillazione laser. Se è necessario aumentare la riflettività può essere placcato sulla superficie del cristallo di uno strato di silice, e quindi uno strato di pellicola d'argento metallico, è possibile ottenere più del 95% della riflettività.
Una volta che il laser a semiconduttore viene aggiunto alla tensione di polarizzazione diretta, il numero di particelle nell'area di giunzione verrà invertito e composto.
