Analyse van de structuur en het werkingsprincipe van halfgeleiderlasers.
De galliumarsenide (GaAs)-laser wordt gebruikt als voorbeeld om het werkingsprincipe van de geïnjecteerde homojunctielaser te introduceren.
1. Het oscillatieprincipe van geïnjecteerde homojunctielaser. Omdat het halfgeleidermateriaal zelf een speciale kristalstructuur en elektronische structuur heeft, heeft de vorming van het lasermechanisme zijn eigen bijzonderheid.
(1) Energiebandstructuur van halfgeleiders. Halfgeleidermaterialen zijn meestal kristalstructuren. Wanneer een groot aantal atomen regeert en strak gecombineerd wordt tot een kristal, bevinden de valentie-elektronen in het kristal zich in de kristalenergieband. De energieband waarin de valentie-elektronen zich bevinden, wordt de valentieband genoemd (wat overeenkomt met lagere energie). De dichtstbijzijnde hoge energieband bij de valentieband wordt de geleidingsband genoemd en de lege ruimte tussen de energiebanden wordt de verboden band genoemd. Wanneer een extern elektrisch veld wordt toegevoegd, springen de elektronen in de valentieband naar de geleidingsband, waar ze vrij kunnen bewegen en elektriciteit kunnen geleiden. Tegelijkertijd is het verlies van een elektron in de valentieband gelijk aan het ontstaan van een positief geladen gat, dit gat in de rol van het externe elektrische veld, kan ook een geleidende rol spelen. Daarom hebben het gat in de valentieband en de geleidingsband van elektronen een geleidende rol, gezamenlijk aangeduid als dragers.
(2) gedoteerde halfgeleider en pn-overgang. Zuivere halfgeleider zonder onzuiverheden, bekend als de intrinsieke halfgeleider. Als de intrinsieke halfgeleider gedoteerd is met onzuiverheidsatomen, worden in de geleidingsband onder en boven de valentieband respectievelijk onzuiverheidsenergieniveaus gevormd, bekend als het donorenergieniveau en het hoofdenergieniveau.
Halfgeleiders met een dominant energieniveau worden n-type halfgeleiders genoemd; halfgeleiders met een dominant energieniveau worden p-type halfgeleiders genoemd. Bij kamertemperatuur kan hitte n-type halfgeleiders maken, de meeste donoratomen worden gedissocieerd, waarbij het elektron wordt geëxciteerd naar de geleidingsband, worden vrije elektronen. De meeste gastheeratomen van p-type halfgeleiders vangen elektronen in de valentieband en vormen gaten in de valentieband. Dus, n-type halfgeleiders worden voornamelijk geleid door elektronen in de geleidingsband; p-type halfgeleiders worden voornamelijk geleid door gaten in de valentieband.
Halfgeleidermaterialen die in halfgeleiderlasers worden gebruikt, hebben een hoge doteringsconcentratie, waarbij het aantal n-type onzuiverheden in atomen doorgaans (2-5) × 1018cm-1 bedraagt; het aantal p-type onzuiverheden is (1-3) × 1019cm-1.
In een stuk halfgeleidermateriaal wordt het gebied waar een abrupte verandering plaatsvindt van het p-type gebied naar het n-type gebied een pn-overgang genoemd. Er wordt een ruimteladingsgebied gevormd op de interface. Elektronen in de n-type halfgeleiderband moeten diffunderen in het p-gebied, terwijl gaten in de p-type halfgeleidervalentieband moeten diffunderen in het n-gebied. Op deze manier is het n-type gebied nabij de structuur positief geladen omdat het de donor is, en is het p-type gebied nabij de overgang negatief geladen omdat het de ontvanger is. Er wordt een elektrisch veld gevormd op de interface die van het n-gebied naar het p-gebied wijst, het zelfgebouwde elektrische veld genoemd. Dit elektrische veld voorkomt de voortdurende diffusie van elektronen en gaten.
(3) pn-overgang elektrische injectie excitatie mechanisme. Als een positieve bias spanning wordt toegevoegd aan het halfgeleider materiaal waar een pn-overgang wordt gevormd, is het p-gebied verbonden met de positieve pool en het n-gebied met de negatieve pool. Uiteraard, de positieve spanning van het elektrische veld en de pn-overgang van het zelf gebouwde elektrische veld in de tegengestelde richting, het verzwakte het zelf gebouwde elektrische veld op het kristal in de diffusie van elektronen in de belemmering van de beweging, zodat het n-gebied van de vrije elektronen in de rol van de positieve spanning, maar ook een gestage stroom van diffusie door de pn-overgang naar het p-gebied in het overgangsgebied op hetzelfde moment zijn er een groot aantal geleidingsband elektronen en valentieband In het overgangsgebied op hetzelfde moment zijn er een groot aantal elektronen in de geleidingsband en het gat in de valentieband, ze zullen worden geïnjecteerd in het gebied om een composiet te produceren, wanneer de elektronen in de geleidingsband springen naar de valentieband, de overtollige energie in de vorm van licht uitgezonden. Dit is het mechanisme van halfgeleiderveldluminescentie. Deze spontane samengestelde luminescentie wordt spontane straling genoemd.
Om de pn-overgang laserlicht te laten produceren, moet worden gevormd binnen de structuur van de deeltjesinversieverdelingsstatus, moeten zwaar gedoteerde halfgeleidermaterialen worden gebruikt, vereist dat de injectie van pn-overgangsstroom groot genoeg is (zoals 30,000A / cm2). Op deze manier kan in de pn-overgang van het lokale gebied de geleidingsband in het elektron meer vormen dan het aantal gaten in de valentieband van de inversie van de verdeling van de status, waardoor de geëxciteerde samengestelde straling en het uitgegeven laserlicht worden gegenereerd.
2. Halfgeleiderlaserstructuur. De vorm en grootte en de halfgeleidertransistor met laag vermogen zijn bijna hetzelfde, alleen in de schaal meer dan één laseruitgangsvenster. Vastgeklemd met het verbindingsgebied van het p-gebied en n-gebied gemaakt van lagen, is het verbindingsgebied tientallen micrometers dik, het gebied is ongeveer minder dan 1 mm2.
Semiconductor laser optische resonantieholte is het gebruik van pn-overgangsvlak loodrecht op het natuurlijke oplossingsoppervlak (110-oppervlak) samenstelling, het heeft een reflectiviteit van 35, is voldoende geweest om laseroscillatie te veroorzaken. Als u de reflectiviteit moet verhogen, kan deze op het kristaloppervlak worden geplateerd met een laag silica en vervolgens een laag metallische zilverfilm, u kunt meer dan 95% van de reflectiviteit krijgen.
Zodra de halfgeleiderlaser wordt toegevoegd aan de voorwaartse voorspanning, wordt het aantal deeltjes in het verbindingsgebied omgekeerd en samengesteld.
