Analýza struktury a principu činnosti polovodičových laserů.
Gallium arsenid (GaAs) laser je použit jako příklad pro představení principu činnosti injektovaného homojunkčního laseru.
1. Princip oscilace injektovaného homojunkčního laseru. Vzhledem k tomu, že samotný polovodičový materiál má speciální krystalovou strukturu a elektronovou strukturu, tvorba laserového mechanismu má své specifikum.
(1) Energetická pásová struktura polovodiče. Polovodičové materiály jsou většinou krystalové struktury. Když vládne velké množství atomů a jsou těsně spojeny do krystalu, valenční elektrony v krystalu jsou v energetickém pásmu krystalu. Energetický pás, ve kterém se nacházejí valenční elektrony, se nazývá valenční pás (což odpovídá nižší energii). Nejbližší vysokoenergetický pás k valenčnímu pásmu se nazývá vodivostní pás a prázdný prostor mezi energetickými pásy se nazývá zakázaný pás. Když se přidá vnější elektrické pole, elektrony ve valenčním pásmu přeskakují do pásma vodivosti, kde se mohou volně pohybovat a vést elektřinu. Ztráta elektronu ve valenčním pásmu je přitom ekvivalentní vzniku kladně nabité díry, tato díra v roli vnějšího elektrického pole může hrát i vodivou roli. Proto má díra ve valenčním pásu a vodivostní pás elektronů vodivou roli, souhrnně označovanou jako nosiče.
(2) dopovaný polovodič a pn přechod. Čistý polovodič bez nečistot, známý jako vlastní polovodič. Pokud vnitřní polovodič dopoval atomy nečistot, ve vodivém pásu pod a nad valenčním pásmem se vytvořily energetické hladiny nečistot, v tomto pořadí známé jako donorová energetická hladina a hlavní energetická hladina.
Polovodiče s dominantní energetickou hladinou se nazývají polovodiče typu n; polovodiče s dominantní energetickou hladinou se nazývají polovodiče typu p. Při pokojové teplotě může teplo vytvořit polovodiče typu n, většina donorových atomů je disociována, ve které je elektron excitován do vodivostního pásma, se stávají volnými elektrony. Většina hostitelských atomů polovodičů typu p zachycuje elektrony ve valenčním pásmu a vytváří ve valenčním pásmu díry. Polovodiče typu n jsou tedy převážně vedeny elektrony ve vodivém pásmu; Polovodiče typu p jsou převážně vedeny otvory ve valenčním pásmu.
Polovodičové materiály používané v polovodičových laserech mají vysokou koncentraci dopingu, přičemž atomové číslo nečistot typu n je obecně (2-5) × 1018 cm-1; typ p je (1-3) × 1019 cm-1.
V kusu polovodičového materiálu se oblast, kde dochází k náhlé změně z oblasti typu p na oblast typu n, nazýváme přechodem pn. Na jeho rozhraní se vytvoří oblast prostorového náboje. elektrony v polovodičovém pásmu typu n musí difundovat do oblasti p, zatímco díry ve valenčním pásmu polovodiče typu p musí difundovat do oblasti n. Tímto způsobem je oblast typu n v blízkosti struktury kladně nabitá, protože je donorem, a oblast typu p poblíž spoje je nabitá záporně, protože je přijímačem. Na rozhraní směřujícím z n-oblasti do p-oblasti se vytváří elektrické pole, které se nazývá vlastní elektrické pole. Toto elektrické pole brání pokračující difúzi elektronů a děr.
(3) budicí mechanismus s elektrickým vstřikováním přechodu pn. Pokud se k polovodičovému materiálu, kde je vytvořen pn přechod, přidá kladné předpětí, p-oblast je spojena s kladným pólem a n-oblast se záporným pólem. Je zřejmé, že kladné napětí elektrického pole a pn přechod samovybudovaného elektrického pole v opačném směru oslabilo vlastní vybudované elektrické pole na krystalu při difúzi elektronů v překážce pohybu, takže oblast n volných elektronů v roli kladného napětí, ale i stálý proud difúze přes pn přechod do oblasti p v oblasti přechodu současně je velké množství elektronů vodivostního pásu a valenčního pásma. V oblasti přechodu je současně velké množství elektronů ve vodivém pásu a otvoru ve valenčním pásmu, budou injektovány do oblasti za vzniku kompozitu, když elektrony ve vodivém pásmu přeskakují do valenčního pásma. pásem, přebytečná energie ve formě vyzařovaného světla. Toto je mechanismus luminiscence polovodičového pole, tato spontánní složená luminiscence se nazývá spontánní záření.
Aby pn přechod produkoval laserové světlo, musí být vytvořen ve struktuře stavu distribuce inverze částic, musí být použity silně dopované polovodičové materiály, vyžaduje, aby byl proud pn přechodu dostatečně velký (například 30,{{3} }A / cm2). Tímto způsobem může v pn přechodu místní oblasti tvořit vodivostní pás v elektronu více, než je počet děr ve valenčním pásmu inverze rozložení stavu, čímž se generuje excitované kompozitní záření a emitované laserové světlo. .
2. Struktura polovodičového laseru. Jeho tvar a velikost a nízkoenergetický polovodičový tranzistor je téměř stejný, pouze v plášti více než jedno výstupní okno laseru. Spojená plocha spoje p-oblasti a n-oblasti tvořená vrstvami, oblast spoje je tlustá desítky mikrometrů, plocha je asi menší než 1mm2.
Polovodičové laserové optické rezonanční dutiny je použití pn přechodové roviny kolmé k přirozenému řešení povrchu (110 povrch) složení, má odrazivost 35, bylo dostatečné k vyvolání oscilace laseru. Pokud potřebujete zvýšit odrazivost, může být na povrchu krystalu nanesena vrstva oxidu křemičitého a poté vrstva kovového stříbrného filmu, můžete získat více než 95% odrazivosti.
Jakmile se polovodičový laser přidá k dopřednému předpětí, počet částic v oblasti spoje se obrátí a složí.
