Анализ структуры и принципа работы полупроводниковых лазеров.
В качестве примера для ознакомления с принципом работы инжекционного гомопереходного лазера используется лазер на арсениде галлия (GaAs).
1. Принцип генерации инжектируемого гомопереходного лазера. Поскольку сам полупроводниковый материал имеет особую кристаллическую структуру и электронную структуру, то и механизм формирования лазера имеет свою специфику.
(1) Зонная структура полупроводника. Полупроводниковые материалы в основном представляют собой кристаллические структуры. Когда большое количество атомов правит и плотно объединено в кристалл, валентные электроны в кристалле находятся в энергетической зоне кристалла. Энергетическая зона, в которой находятся валентные электроны, называется валентной зоной (что соответствует более низкой энергии). Ближайшая к валентной зоне высокоэнергетическая зона называется зоной проводимости, а пустое пространство между энергетическими зонами называется запрещенной зоной. При добавлении внешнего электрического поля электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться и проводить электричество. В то же время потеря электрона в валентной зоне эквивалентна появлению положительно заряженной дырки, эта дырка в роли внешнего электрического поля может также играть проводящую роль. Поэтому дырка в валентной зоне и зона проводимости электронов выполняют проводящую роль, совместно именуемые носителями.
(2) легированный полупроводник и pn-переход. Чистый полупроводник без примесей, называемый собственным полупроводником. Если собственный полупроводник легирован примесными атомами, то в зоне проводимости ниже и выше валентной зоны образуются примесные энергетические уровни, соответственно называемые донорным энергетическим уровнем и основным энергетическим уровнем.
Полупроводники с доминирующим уровнем энергии называются полупроводниками n-типа; полупроводники с доминирующим уровнем энергии называются полупроводниками p-типа. При комнатной температуре тепло может сделать полупроводники n-типа, большинство атомов-доноров диссоциируют, в которых электрон возбуждается в зону проводимости, становятся свободными электронами. Большинство атомов-хозяев полупроводников p-типа захватывают электроны в валентной зоне и образуют дырки в валентной зоне. Таким образом, полупроводники n-типа в основном проводятся электронами в зоне проводимости; полупроводники p-типа в основном проводятся дырками в валентной зоне.
Полупроводниковые материалы, используемые в полупроводниковых лазерах, имеют большую концентрацию легирования, при этом число атомов примеси n-типа обычно составляет (2-5) × 1018см-1; p-типа — (1-3) × 1019см-1.
В куске полупроводникового материала область, где происходит резкий переход от области p-типа к области n-типа, называется p-n-переходом. На его границе раздела образуется область пространственного заряда. Электроны в зоне полупроводника n-типа должны диффундировать в p-область, в то время как дырки в валентной зоне полупроводника p-типа должны диффундировать в n-область. Таким образом, область n-типа вблизи структуры заряжена положительно, поскольку она является донором, а область p-типа вблизи перехода заряжена отрицательно, поскольку она является приемником. На границе раздела образуется электрическое поле, направленное от n-области к p-области, называемое самосозданным электрическим полем. Это электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок.
(3) механизм возбуждения электрической инжекции pn-перехода. Если положительное напряжение смещения добавляется к полупроводниковому материалу, где формируется pn-переход, p-область подключается к положительному полюсу, а n-область к отрицательному полюсу. Очевидно, что положительное напряжение электрического поля и pn-переход самопостроенного электрического поля в противоположном направлении, это ослабляет самопостроенное электрическое поле на кристалле в диффузии электронов в препятствии движению, так что n-область свободных электронов в роли положительного напряжения, но также и постоянный поток диффузии через pn-переход в p-область в области перехода в то же время есть большое количество электронов зоны проводимости и валентной зоны В области перехода в то же время есть большое количество электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, они будут инжектироваться в область, чтобы создать композит, когда электроны в зоне проводимости переходят в валентную зону, избыточная энергия в виде испускаемого света. Таков механизм полевой люминесценции полупроводников, эта спонтанная люминесценция соединений называется спонтанным излучением.
Чтобы pn-переход производил лазерный свет, необходимо сформировать внутри структуры инверсию распределения частиц, необходимо использовать сильно легированные полупроводниковые материалы, требуется инжекция тока pn-перехода достаточно большой (например, 30,000A / см2). Таким образом, в pn-переходе локальной области можно сформировать зону проводимости в электронах, число которых больше числа дырок в валентной зоне инверсии распределения состояний, тем самым генерируя возбужденное составное излучение и испуская лазерный свет.
2. Структура полупроводникового лазера. Его форма и размер и маломощный полупроводниковый транзистор почти такие же, только в оболочке больше одного выходного окна лазера. Зажатая областью перехода p-области и n-области, выполненной из слоев, область перехода имеет толщину в десятки микрометров, площадь составляет примерно менее 1 мм2.
Полупроводниковый лазер оптического резонансного резонатора использует pn переход плоскости, перпендикулярной поверхности естественного раствора (поверхность 110), состав, имеет отражательную способность 35, было достаточно, чтобы вызвать лазерную генерацию. Если вам нужно увеличить отражательную способность, можно нанести на кристаллическую поверхность слой кремния, а затем слой металлической серебряной пленки, можно получить более 95% отражательной способности.
После добавления полупроводникового лазера к прямому напряжению смещения число частиц в области перехода изменится на противоположное и станет составным.
