Analiza zgradbe in principa delovanja polprevodniških laserjev.
Laser z galijevim arzenidom (GaAs) je uporabljen kot primer za predstavitev principa delovanja vbrizganega homojunkcijskega laserja.
1. Princip oscilacije vbrizganega homojunkcijskega laserja. Ker ima sam polprevodniški material posebno kristalno strukturo in elektronsko strukturo, ima nastanek laserskega mehanizma svojo posebnost.
(1) Struktura energijskega pasu polprevodnika. Polprevodniški materiali so večinoma kristalne strukture. Ko veliko število atomov vlada in je tesno združeno v kristal, so valenčni elektroni v kristalu v energijskem pasu kristala. Energijski pas, v katerem se nahajajo valenčni elektroni, se imenuje valenčni pas (ki ustreza nižji energiji). Valenčnemu pasu najbližji visokoenergijski pas se imenuje prevodni pas, prazen prostor med energijskima pasovoma pa prepovedani pas. Ko dodamo zunanje električno polje, elektroni v valenčnem pasu preskočijo v prevodni pas, kjer se lahko prosto gibljejo in prevajajo elektriko. Hkrati je izguba elektrona v valenčnem pasu enakovredna nastanku pozitivno nabite luknje, ta luknja v vlogi zunanjega električnega polja lahko igra tudi prevodno vlogo. Zato imata luknja v valenčnem pasu in prevodni pas elektronov prevodno vlogo, ki ju skupaj imenujemo nosilci.
(2) dopirani polprevodnik in pn spoj. Čisti polprevodnik brez primesi, znan kot intrinzični polprevodnik. Če je intrinzični polprevodnik dopiran z atomi nečistoč, se v prevodnem pasu pod in nad valenčnim pasom oblikujejo energijske ravni nečistoč, znane kot donorska energijska raven in glavna energijska raven.
Polprevodniki s prevladujočim energijskim nivojem se imenujejo polprevodniki tipa n; polprevodnike s prevladujočim energijskim nivojem imenujemo polprevodniki p-tipa. Pri sobni temperaturi lahko toplota naredi polprevodnike n-tipa, večina donorskih atomov se disociira, pri čemer se elektron vzbuja v prevodni pas, postanejo prosti elektroni. Večina gostiteljskih atomov polprevodnikov p-tipa zajame elektrone v valenčnem pasu in tvori luknje v valenčnem pasu. Tako polprevodnike n-tipa v glavnem prevajajo elektroni v prevodnem pasu; polprevodnike p-tipa v glavnem prevajajo luknje v valenčnem pasu.
Polprevodniški materiali, ki se uporabljajo v polprevodniških laserjih, imajo veliko koncentracijo dopinga, pri čemer je število atomov nečistoče tipa n običajno (2-5) × 1018 cm-1; p-tip je (1-3) × 1019 cm-1.
V kosu polprevodniškega materiala se območje, kjer pride do nenadne spremembe iz območja p-tipa v območje n-tipa, imenuje pn spoj. Na njenem vmesniku se bo oblikovalo območje prostorskega naboja. elektroni v polprevodniškem pasu n-tipa morajo difundirati v p-območje, medtem ko morajo luknje v valenčnem pasu polprevodnikov p-tipa difundirati v n-območje. Na ta način je območje n-tipa v bližini strukture pozitivno nabito, ker je donor, območje p-tipa v bližini spoja pa je negativno nabito, ker je sprejemnik. Električno polje se oblikuje na vmesniku, ki kaže iz n-regije v p-regijo, imenovano samozgrajeno električno polje. To električno polje preprečuje nadaljnjo difuzijo elektronov in lukenj.
(3) mehanizem vzbujanja električnega vbrizgavanja pn spoja. Če polprevodniškemu materialu, kjer nastane pn spoj, dodamo pozitivno prednapetost, je p-regija povezana s pozitivnim polom, n-regija pa z negativnim polom. Očitno je pozitivna napetost električnega polja in pn spoj samozgrajenega električnega polja v nasprotni smeri oslabila samozgrajeno električno polje na kristalu pri difuziji elektronov v oviri gibanja, tako da območje n prostih elektronov v vlogi pozitivne napetosti, ampak tudi enakomeren tok difuzije skozi pn spoj v območje p v območju stika, hkrati pa obstaja veliko število elektronov prevodnega pasu in valenčnega pasu V območju stika je istočasno veliko število elektronov v prevodnem pasu in luknja v valenčnem pasu, ki bodo vbrizgani v regijo, da se proizvede kompozit, ko elektroni v prevodnem pasu skočijo na valenco pas, presežna energija v obliki oddane svetlobe. To je mehanizem luminescence polprevodniškega polja, to spontano sestavljeno luminiscenco imenujemo spontano sevanje.
Da bi pn spoj ustvaril lasersko svetlobo, mora biti oblikovan v strukturi stanja porazdelitve inverzije delcev, treba je uporabiti močno dopirane polprevodniške materiale, zahteva vbrizgavanje toka pn spoja, ki je dovolj velik (kot je 30,{{3} }A / cm2). Na ta način lahko v pn spoju lokalne regije tvori prevodni pas v elektronu, ki je večji od števila lukenj v valenčnem pasu inverzije porazdelitve stanja, s čimer se ustvari vzbujeno kompozitno sevanje in izdana laserska svetloba .
2. Struktura polprevodniškega laserja. Njegova oblika in velikost ter polprevodniški tranzistor z nizko močjo je skoraj enak, le v lupini je več kot eno lasersko izhodno okno. Spojen s stičiščem p-območja in n-območja iz plasti, stičišče je debelo desetine mikrometrov, območje je približno manj kot 1 mm2.
Polprevodniška laserska optična resonančna votlina je uporaba ravnine pn spoja, ki je pravokotna na sestavo naravne raztopine (površina 110), ima odbojnost 35, kar zadostuje za povzročitev laserskega nihanja. Če želite povečati odbojnost, lahko na kristalno površino nanesete plast silicijevega dioksida, nato pa plast kovinskega srebrnega filma, lahko dobite več kot 95% odbojnosti.
Ko je polprevodniški laser dodan prednapetostni napetosti, bo število delcev v območju stika obrnjeno in sestavljeno.
