Puslaidininkinių lazerių sandaros ir veikimo principo analizė.
Galio arsenido (GaAs) lazeris naudojamas kaip pavyzdys supažindinant su injekcinio homojunkcinio lazerio veikimo principu.
1. Injekcinio homojunkcinio lazerio virpesių principas. Pati puslaidininkinė medžiaga turi ypatingą kristalų struktūrą ir elektroninę struktūrą, todėl lazerinio mechanizmo formavimas turi savo ypatumus.
(1) Puslaidininkio energijos juostos struktūra. Puslaidininkinės medžiagos dažniausiai yra kristalinės struktūros. Kai valdo daug atomų ir glaudžiai susijungia į kristalą, kristalo valentinės elektronai yra kristalo energijos juostoje. Energijos juosta, kurioje yra valentiniai elektronai, vadinama valentine juosta (tai atitinka mažesnę energiją). Arčiausiai valentinės juostos esanti didelės energijos juosta vadinama laidumo juosta, o tuščia erdvė tarp energijos juostų – uždrausta. Pridėjus išorinį elektrinį lauką, valentinės juostos elektronai pereina į laidumo juostą, kur gali laisvai judėti ir laiduoti elektrą. Tuo pačiu metu elektrono praradimas valentinėje juostoje prilygsta teigiamai įkrautos skylės atsiradimui, ši skylė, atliekanti išorinio elektrinio lauko vaidmenį, taip pat gali atlikti laidų vaidmenį. Todėl valentinės juostos skylė ir elektronų laidumo juosta atlieka laidų vaidmenį, bendrai vadinamos nešikliais.
(2) legiruotas puslaidininkis ir pn jungtis. Grynas puslaidininkis be priemaišų, žinomas kaip vidinis puslaidininkis. Jei vidinis puslaidininkis buvo legiruotas priemaišų atomais, laidumo juostoje, esančioje žemiau ir virš valentinės juostos, susidaro atitinkamai priemaišų energijos lygiai, vadinami donoro energijos lygiu ir pagrindiniu energijos lygiu.
Puslaidininkiai su dominuojančiu energijos lygiu vadinami n tipo puslaidininkiais; puslaidininkiai su dominuojančiu energijos lygiu vadinami p tipo puslaidininkiais. Kambario temperatūroje šiluma gali pagaminti n tipo puslaidininkius, dauguma donorų atomų yra disocijuoti, kuriuose elektronas sužadinamas iki laidumo juostos, tampa laisvais elektronais. Dauguma p tipo puslaidininkių pagrindinių atomų sugauna elektronus valentinėje juostoje ir sudaro skyles valentinėje juostoje. Taigi, n-tipo puslaidininkius daugiausia laidumo laidumo juostoje veda elektronai; p tipo puslaidininkius daugiausia veda skylės valentinėje juostoje.
Puslaidininkinių medžiagų, naudojamų puslaidininkiniuose lazeriuose, dopingo koncentracija yra didelė, o n tipo priemaišų atomų skaičius paprastai yra (2-5) × 1018 cm-1; p tipas yra (1-3) × 1019 cm-1.
Puslaidininkinės medžiagos gabale sritis, kurioje staigus pokytis iš p tipo srities į n tipo sritį, vadinama pn sandūra. Jo sąsajoje bus suformuota erdvės krūvio sritis. n-tipo puslaidininkių juostoje esantys elektronai turi difunduoti į p-sritį, o skylės p-tipo puslaidininkių valentinėje juostoje turi difunduoti į n-regioną. Tokiu būdu n tipo sritis, esanti šalia konstrukcijos, yra teigiamai įkraunama, nes ji yra donorė, o p tipo sritis šalia sankryžos yra neigiamai įkrauta, nes ji yra imtuvas. Sąsajoje, nukreiptoje iš n srities į p sritį, susidaro elektrinis laukas, vadinamas savaime sukurtu elektriniu lauku. Šis elektrinis laukas neleidžia toliau sklisti elektronams ir skylėms.
(3) pn sandūros elektrinio įpurškimo sužadinimo mechanizmas. Jei prie puslaidininkinės medžiagos, kurioje susidaro pn sandūra, pridedama teigiama poslinkio įtampa, p sritis yra prijungta prie teigiamo poliaus, o n sritis - prie neigiamo poliaus. Akivaizdu, kad teigiama elektrinio lauko įtampa ir savaime sukurto elektrinio lauko pn sandūra priešinga kryptimi susilpnino savaime susidarantį elektrinį lauką ant kristalo elektronų difuzijoje, trukdant judėjimui, todėl n sritis laisvųjų elektronų, atliekančių teigiamą įtampą, bet ir pastovus difuzijos srautas per pn sandūrą į p sritį sandūros srityje, tuo pačiu metu yra daug laidumo juostos elektronų ir valentinės juostos Sankryžos srityje tuo pačiu metu laidumo juostoje ir skylėje valentinėje juostoje yra daug elektronų, jie bus įšvirkšti į sritį, kad susidarytų kompozitas, kai laidumo juostoje esantys elektronai peršoks į valentiškumą. juosta, energijos perteklius skleidžiamos šviesos pavidalu. Tai yra puslaidininkinio lauko liuminescencijos mechanizmas, ši spontaniška junginio liuminescencija vadinama spontaniška spinduliuote.
Kad pn sandūra gamintų lazerio šviesą, turi būti suformuota dalelių inversijos pasiskirstymo būsenos struktūroje, reikia naudoti stipriai legiruotas puslaidininkines medžiagas, reikia, kad pn sandūros srovė būtų pakankamai didelė (pvz., 30, {{3} }A / cm2). Tokiu būdu vietinio regiono pn sandūroje elektrono laidumo juosta gali sudaryti daugiau nei būsenos pasiskirstymo inversijos valentinės juostos skylių skaičius, taip generuojant sužadintą kompozicinę spinduliuotę ir išleidžiamą lazerio šviesą. .
2. Puslaidininkinė lazerio struktūra. Jo forma ir dydis bei mažos galios puslaidininkinis tranzistorius yra beveik vienodi, tik korpuse daugiau nei vienas lazerio išvesties langas. Suspaustas su p-sritis ir n-sritys, sudarytos iš sluoksnių, sandūros plotas yra dešimčių mikrometrų storio, plotas yra apie 1 mm2.
Puslaidininkinio lazerio optinio rezonanso ertmė yra pn sandūros plokštumos naudojimas statmenai natūralaus tirpalo paviršiaus (110 paviršiaus) kompozicijai, jos atspindžio koeficientas yra 35, pakako sukelti lazerio virpesius. Jei reikia padidinti atspindžio koeficientą, ant kristalo paviršiaus gali būti padengtas silicio dioksido sluoksnis, o tada metalinės sidabro plėvelės sluoksnis, galite gauti daugiau nei 95% atspindžio.
Pridėjus puslaidininkinį lazerį prie tiesioginės poslinkio įtampos, dalelių skaičius sandūros srityje bus apverstas ir sudėtinis.
