Anàlisi de l'estructura i principi de funcionament dels làsers semiconductors.
El làser d'arsenur de gal·li (GaAs) s'utilitza com a exemple per introduir el principi de funcionament del làser d'homounció injectat.
1. El principi d'oscil·lació del làser d'homojunció injectat. A causa del propi material semiconductor té una estructura de cristall especial i una estructura electrònica, de manera que la formació del mecanisme làser té la seva pròpia particularitat.
(1) Estructura de la banda d'energia del semiconductors. Els materials semiconductors són majoritàriament estructures de cristall. Quan un gran nombre d'àtoms governen i estan estretament combinats en un cristall, els electrons de valència del cristall es troben a la banda d'energia del cristall. La banda d'energia en què es troben els electrons de valència s'anomena banda de valència (que correspon a una energia més baixa). La banda d'alta energia més propera a la banda de valència s'anomena banda de conducció, i l'espai buit entre les bandes d'energia s'anomena banda prohibida. Quan s'afegeix un camp elèctric extern, els electrons de la banda de valència salten a la banda de conducció, on es poden moure lliurement i conduir l'electricitat. Al mateix temps, la pèrdua d'un electró a la banda de valència és equivalent a l'aparició d'un forat carregat positivament, aquest forat en el paper del camp elèctric extern, també pot tenir un paper conductor. Per tant, el forat de la banda de valència i la banda de conducció dels electrons tenen un paper conductor, denominat col·lectivament com a portadors.
(2) semiconductor dopat i unió pn. Semiconductor pur sense impureses, conegut com a semiconductor intrínsec. Si el semiconductor intrínsec es dopava amb àtoms d'impureses, a la banda de conducció per sota i per sobre de la banda de valència es formaven nivells d'energia d'impureses, respectivament, coneguts com a nivell d'energia donant i nivell d'energia principal.
Els semiconductors amb un nivell d'energia dominant s'anomenen semiconductors de tipus n; Els semiconductors amb un nivell d'energia dominant s'anomenen semiconductors de tipus p. A temperatura ambient, la calor pot fer que els semiconductors de tipus n, la majoria dels àtoms donants es dissocien, en què l'electró s'excita a la banda de conducció, es converteixen en electrons lliures. La majoria dels àtoms hostes dels semiconductors de tipus p capturen electrons a la banda de valència i formen forats a la banda de valència. Així, els semiconductors de tipus n són conduïts principalment per electrons a la banda de conducció; Els semiconductors de tipus p es condueixen principalment per forats a la banda de valència.
Els materials semiconductors utilitzats en làsers semiconductors tenen una gran concentració de dopatge, amb el nombre d'àtoms d'impureses de tipus n generalment (2-5) × 1018 cm-1; el tipus p és (1-3) × 1019 cm-1.
En una peça de material semiconductor, la regió on hi ha un canvi brusc de la regió de tipus p a la regió de tipus n s'anomena unió pn. Es formarà una regió de càrrega espacial a la seva interfície. els electrons de la banda de semiconductors de tipus n han de difondre's a la regió p, mentre que els forats de la banda de valència de semiconductors de tipus p han de difondre's a la regió n. D'aquesta manera, la regió de tipus n propera a l'estructura està carregada positivament perquè és el donant, i la regió de tipus p propera a la unió està carregada negativament perquè és el receptor. Es forma un camp elèctric a la interfície que apunta des de la regió n a la regió p, anomenat camp elèctric autoconstruït. Aquest camp elèctric impedeix la difusió continuada d'electrons i forats.
(3) mecanisme d'excitació d'injecció elèctrica d'unió pn. Si s'afegeix una tensió de polarització positiva al material semiconductor on es forma una unió pn, la regió p es connecta al pol positiu i la regió n al pol negatiu. Òbviament, la tensió positiva del camp elèctric i la unió pn del camp elèctric autoconstruït en la direcció oposada, va debilitar el camp elèctric autoconstruït al cristall en la difusió d'electrons en l'impediment del moviment, de manera que la regió n dels electrons lliures en el paper de la tensió positiva, però també un corrent constant de difusió a través de la unió pn a la regió p de l'àrea d'unió alhora que hi ha un gran nombre d'electrons de banda de conducció i banda de valència A la zona d'unió al mateix temps hi ha un gran nombre d'electrons a la banda de conducció i el forat a la banda de valència, s'injectaran a la regió per produir un compost, quan els electrons de la banda de conducció salten a la valència. banda, l'excés d'energia en forma de llum emesa. Aquest és el mecanisme de la luminescència del camp dels semiconductors, aquesta luminescència composta espontània s'anomena radiació espontània.
Per fer que la unió pn produeixi llum làser, s'ha de formar dins de l'estructura de l'estat de distribució d'inversió de partícules, cal utilitzar materials semiconductors fortament dopats, requereix que la injecció de corrent d'unió pn sigui prou gran (com ara 30,{{3} }A / cm2). D'aquesta manera, a la unió pn de la regió local, es pot formar la banda de conducció a l'electró més que el nombre de forats a la banda de valència de la inversió de la distribució d'estat, generant així la radiació composta excitada i la llum làser emesa .
2. Estructura làser semiconductor. La seva forma i mida i el transistor semiconductor de baixa potència és gairebé el mateix, només a la carcassa més d'una finestra de sortida làser. Fixat amb l'àrea d'unió de l'àrea p i l'àrea n feta de capes, l'àrea d'unió té desenes de micròmetres de gruix, l'àrea és d'aproximadament menys d'1 mm2.
La cavitat de ressonància òptica làser semiconductors és l'ús del pla d'unió pn perpendicular a la composició de la superfície de la solució natural (superfície 110), té una reflectivitat de 35, ha estat suficient per provocar una oscil·lació làser. Si necessiteu augmentar la reflectivitat, es pot xapar a la superfície de cristall d'una capa de sílice i després una capa de pel·lícula de plata metàl·lica, podeu obtenir més del 95% de la reflectivitat.
Un cop s'afegeix el làser semiconductor a la tensió de polarització directa, el nombre de partícules a l'àrea d'unió s'invertirà i es compondrà.
