Analisis struktur dan prinsip kerja laser semikonduktor.
Laser Gallium arsenide (GaAs) digunakan sebagai contoh untuk memperkenalkan prinsip kerja laser homojunction yang disuntik.
1. Prinsip ayunan laser homojunction yang disuntik. Oleh kerana bahan semikonduktor itu sendiri mempunyai struktur kristal khas dan struktur elektronik, jadi pembentukan mekanisme laser mempunyai keistimewaan tersendiri.
(1) Struktur jalur tenaga semikonduktor. Bahan semikonduktor kebanyakannya adalah struktur kristal. Apabila sebilangan besar atom memerintah dan digabungkan rapat menjadi kristal, elektron valens dalam kristal berada dalam jalur tenaga kristal. Jalur tenaga di mana elektron valensi terletak dipanggil jalur valensi (yang sepadan dengan tenaga yang lebih rendah). Jalur tenaga tinggi yang terdekat dengan jalur valens dipanggil jalur pengaliran, dan ruang kosong antara jalur tenaga dipanggil jalur terlarang. Apabila medan elektrik luaran ditambah, elektron dalam jalur valens melompat ke jalur pengaliran, di mana mereka boleh bergerak bebas dan mengalirkan elektrik. Pada masa yang sama, kehilangan elektron dalam jalur valens adalah bersamaan dengan kemunculan lubang bercas positif, lubang ini dalam peranan medan elektrik luaran, juga boleh memainkan peranan konduktif. Oleh itu, lubang dalam jalur valens dan jalur pengaliran elektron mempunyai peranan konduktif, secara kolektif dirujuk sebagai pembawa.
(2) semikonduktor terdop dan simpang pn. Semikonduktor tulen tanpa kekotoran, dikenali sebagai semikonduktor intrinsik. Jika semikonduktor intrinsik didopkan dengan atom kekotoran, dalam jalur pengaliran di bawah dan di atas jalur valensi membentuk tahap tenaga kekotoran, masing-masing dikenali sebagai tahap tenaga penderma dan tahap tenaga utama.
Semikonduktor dengan tahap tenaga dominan dipanggil semikonduktor jenis-n; semikonduktor dengan aras tenaga dominan dipanggil semikonduktor jenis-p. Pada suhu bilik, haba boleh membuat semikonduktor jenis-n, kebanyakan atom penderma dipisahkan, di mana elektron teruja ke jalur pengaliran, menjadi elektron bebas. Kebanyakan atom perumah semikonduktor jenis p menangkap elektron dalam jalur valens dan membentuk lubang dalam jalur valens. Oleh itu, semikonduktor jenis-n terutamanya dijalankan oleh elektron dalam jalur pengaliran; semikonduktor jenis-p terutamanya dijalankan oleh lubang dalam jalur valens.
Bahan semikonduktor yang digunakan dalam laser semikonduktor mempunyai kepekatan doping yang besar, dengan nombor atom kekotoran jenis-n secara amnya ialah (2-5) × 1018cm-1; jenis-p ialah (1-3) × 1019cm-1.
Dalam sekeping bahan semikonduktor, rantau di mana terdapat perubahan mendadak dari rantau jenis-p ke rantau jenis-n dipanggil simpang pn. Kawasan caj ruang akan terbentuk pada antara mukanya. elektron dalam jalur semikonduktor jenis-n perlu meresap ke dalam kawasan-p, manakala lubang dalam jalur valensi semikonduktor jenis-p perlu meresap ke dalam rantau-n. Dengan cara ini, kawasan jenis-n berhampiran struktur bercas positif kerana ia adalah penderma, dan kawasan jenis-p berhampiran simpang bercas negatif kerana ia adalah penerima. Medan elektrik terbentuk pada antara muka yang menunjuk dari kawasan-n ke kawasan-p, dipanggil medan elektrik bina sendiri. Medan elektrik ini menghalang resapan berterusan elektron dan lubang.
(3) mekanisme pengujaan suntikan elektrik simpang pn. Jika voltan pincang positif ditambah kepada bahan semikonduktor di mana simpang pn terbentuk, rantau p disambungkan ke kutub positif dan rantau n ke kutub negatif. Jelas sekali, voltan positif medan elektrik dan persimpangan pn medan elektrik yang dibina sendiri dalam arah yang bertentangan, ia melemahkan medan elektrik yang dibina sendiri pada kristal dalam penyebaran elektron dalam halangan kepada pergerakan, supaya rantau n elektron bebas dalam peranan voltan positif, tetapi juga aliran resapan yang mantap melalui persimpangan pn ke rantau p di kawasan persimpangan pada masa yang sama terdapat sejumlah besar elektron jalur pengaliran dan jalur valens Di kawasan persimpangan pada masa yang sama terdapat sejumlah besar elektron dalam jalur pengaliran dan lubang dalam jalur valensi, mereka akan disuntik ke rantau ini untuk menghasilkan komposit, apabila elektron dalam jalur pengaliran melompat ke valensi band, tenaga yang berlebihan dalam bentuk cahaya yang dipancarkan. Ini adalah mekanisme pendaran medan semikonduktor, pendaran sebatian spontan ini dipanggil sinaran spontan.
Untuk membuat persimpangan pn untuk menghasilkan cahaya laser, mesti dibentuk dalam struktur keadaan pengedaran penyongsangan zarah, perlu menggunakan bahan semikonduktor doped berat, memerlukan suntikan arus persimpangan pn cukup besar (seperti 30,{{3} }A / cm2). Dengan cara ini, dalam persimpangan pn rantau tempatan, boleh membentuk jalur pengaliran dalam elektron lebih daripada bilangan lubang dalam jalur valens penyongsangan taburan keadaan, sekali gus menjana sinaran komposit teruja dan mengeluarkan cahaya laser. .
2. Struktur laser semikonduktor. Bentuk dan saiznya dan transistor semikonduktor berkuasa rendah adalah hampir sama, hanya dalam shell lebih daripada satu tetingkap keluaran laser. Diapit dengan kawasan simpang kawasan p dan kawasan n yang diperbuat daripada lapisan, kawasan simpang adalah berpuluh-puluh mikrometer tebal, luasnya kira-kira kurang daripada 1mm2.
Rongga resonan optik semikonduktor laser adalah penggunaan satah simpang pn berserenjang dengan komposisi permukaan penyelesaian semula jadi (110 permukaan), ia mempunyai pemantulan sebanyak 35, telah mencukupi untuk menyebabkan ayunan laser. Jika anda perlu meningkatkan pemantulan boleh disadur pada permukaan kristal lapisan silika, dan kemudian lapisan filem perak metalik, anda boleh mendapatkan lebih daripada 95% pemantulan.
Sebaik sahaja laser semikonduktor ditambah kepada voltan pincang ke hadapan, bilangan zarah dalam kawasan simpang akan diterbalikkan dan komposit.
