Yarıiletken lazerlerin yapısı ve çalışma prensibinin analizi.
Enjeksiyonlu homojunksiyon lazerinin çalışma prensibini tanıtmak için örnek olarak galyum arsenit (GaAs) lazeri kullanılmaktadır.
1. Enjekte edilmiş homojunction lazerinin salınım prensibi. Yarı iletken malzemenin kendisi özel bir kristal yapıya ve elektronik yapıya sahip olduğundan, lazer mekanizmasının oluşumu kendi özelliğine sahiptir.
(1) Yarı iletkenin enerji bandı yapısı. Yarı iletken malzemeler çoğunlukla kristal yapılardır. Çok sayıda atom bir kristali yönetip sıkıca birleştiğinde, kristaldeki değerlik elektronları kristal enerji bandındadır. Değerlik elektronlarının bulunduğu enerji bandına değerlik bandı denir (daha düşük enerjiye karşılık gelir). Değerlik bandına en yakın yüksek enerji bandına iletim bandı denir ve enerji bantları arasındaki boşluğa yasak bant denir. Harici bir elektrik alanı eklendiğinde, değerlik bandındaki elektronlar serbestçe hareket edebilecekleri ve elektriği iletebilecekleri iletim bandına atlar. Aynı zamanda, değerlik bandındaki bir elektronun kaybı, pozitif yüklü bir deliğin ortaya çıkmasına eşdeğerdir, bu delik harici elektrik alanının rolündedir ve aynı zamanda iletken bir rol oynayabilir. Bu nedenle, değerlik bandındaki delik ve elektronların iletim bandı, toplu olarak taşıyıcılar olarak adlandırılan iletken bir role sahiptir.
(2) katkılı yarı iletken ve pn bağlantısı. Saf yarı iletken, saf olmayan, içsel yarı iletken olarak bilinir. İçsel yarı iletken, safsızlık atomlarıyla katkılanmışsa, valans bandının altında ve üstündeki iletim bandında sırasıyla donör enerji seviyesi ve ana enerji seviyesi olarak bilinen safsızlık enerji seviyeleri oluşmuştur.
Baskın bir enerji seviyesine sahip yarı iletkenlere n-tipi yarı iletkenler; baskın bir enerji seviyesine sahip yarı iletkenlere p-tipi yarı iletkenler denir. Oda sıcaklığında, ısı n-tipi yarı iletkenleri, verici atomların çoğunun ayrıştığı, elektronun iletim bandına uyarıldığı, serbest elektronlar haline getirebilir. p-tipi yarı iletkenlerin konak atomlarının çoğu, değerlik bandındaki elektronları yakalar ve değerlik bandında delikler oluşturur. Bu nedenle, n-tipi yarı iletkenler esas olarak iletim bandındaki elektronlar tarafından iletilir; p-tipi yarı iletkenler esas olarak değerlik bandındaki delikler tarafından iletilir.
Yarı iletken lazerlerde kullanılan yarı iletken malzemeler büyük bir katkılama konsantrasyonuna sahiptir, n-tipi safsızlık atom numarası genellikle (2-5) × 1018cm-1; p-tipi ise (1-3) × 1019cm-1'dir.
Yarı iletken bir malzemede, p-tipi bölgeden n-tipi bölgeye ani bir değişimin olduğu bölgeye pn birleşimi adı verilir. Arayüzünde bir uzay yükü bölgesi oluşacaktır. n-tipi yarı iletken bandındaki elektronlar p-bölgesine yayılmak zorundayken, p-tipi yarı iletken değerlik bandındaki delikler n-bölgesine yayılmak zorundadır. Bu şekilde, yapıya yakın n-tipi bölge verici olduğu için pozitif yüklüdür ve birleşime yakın p-tipi bölge alıcı olduğu için negatif yüklüdür. n-bölgesinden p-bölgesine doğru uzanan arayüzde kendiliğinden oluşan elektrik alanı adı verilen bir elektrik alanı oluşur. Bu elektrik alanı elektronların ve deliklerin sürekli difüzyonunu engeller.
(3) pn eklemi elektrik enjeksiyon uyarım mekanizması. Bir pn ekleminin oluşturulduğu yarı iletken malzemeye pozitif bir önyargı voltajı eklenirse, p bölgesi pozitif kutba ve n bölgesi negatif kutba bağlanır. Açıkçası, elektrik alanının pozitif voltajı ve kendiliğinden oluşan elektrik alanının pn eklemi ters yönde, elektronların hareketine engel olan difüzyonunda kristal üzerindeki kendiliğinden oluşan elektrik alanını zayıflattı, böylece pozitif voltajın rolündeki serbest elektronların n bölgesi, aynı zamanda pn eklemi boyunca p bölgesine doğru sabit bir difüzyon akışı, eklem alanında aynı zamanda çok sayıda iletim bandı elektronu ve değerlik bandı vardır. Aynı zamanda, iletim bandında çok sayıda elektron ve değerlik bandında delik vardır, bunlar kompozit üretmek için bölgeye enjekte edilecektir, iletim bandındaki elektronlar değerlik bandına atladığında, fazla enerji ışık şeklinde yayılır. Yarı iletken alan lüminesansının mekanizması budur, bu kendiliğinden oluşan bileşik lüminesansa kendiliğinden radyasyon denir.
Lazer ışığı üretmek için pn ekleminin, parçacık inversiyon dağılım durumunun yapısı içinde oluşturulması gerekir, ağır katkılı yarı iletken malzemeler kullanılması gerekir, pn eklem akımının enjeksiyonunun yeterince büyük olması gerekir (örneğin 30,000A / cm2). Bu şekilde, yerel bölgenin pn ekleminde, elektronun iletkenlik bandı, inversiyon durumunun değerlik bandındaki delik sayısından daha fazla olabilir, böylece uyarılmış bileşik radyasyon üretilir ve lazer ışığı verilir.
2. Yarı iletken lazer yapısı. Şekli ve boyutu ve düşük güç yarı iletken transistörü neredeyse aynıdır, sadece kabukta birden fazla lazer çıkış penceresi vardır. Katmanlardan oluşan p-alanı ve n-alanının birleşme alanı ile sıkıştırılmış, birleşme alanı onlarca mikron kalınlığındadır, alan yaklaşık 1 mm2'den azdır.
Yarı iletken lazer optik rezonans boşluğu, doğal çözelti yüzeyine (110 yüzey) dik pn bağlantı düzleminin kullanımıdır, 35 yansıtıcılığa sahiptir, lazer salınımına neden olmak için yeterli olmuştur. Yansıtıcılığı artırmanız gerekiyorsa, kristal yüzeyine bir silika tabakası ve ardından bir metalik gümüş film tabakası kaplanabilir, yansıtıcılığın %95'inden fazlasını elde edebilirsiniz.
Yarı iletken lazer ileri önyargı voltajına eklendiğinde, birleşme alanındaki parçacık sayısı tersine dönecek ve bileşik hale gelecektir.
