A félvezető lézerek szerkezetének és működési elvének elemzése.
A gallium-arzenid (GaAs) lézer példaként szolgál az injektált homojunkciós lézer működési elvének bemutatására.
1. Az injektált homojunkciós lézer oszcillációs elve. Maga a félvezető anyagnak köszönhetően sajátos kristályszerkezettel és elektronikus szerkezettel rendelkezik, így a lézeres mechanizmus kialakításának megvan a maga sajátossága.
(1) A félvezető energiasávos szerkezete. A félvezető anyagok többnyire kristályszerkezetek. Amikor nagyszámú atom uralkodik és szorosan összekapcsolódik egy kristályban, a kristály vegyértékelektronjai a kristály energiasávjában vannak. Azt az energiasávot, amelyben a vegyértékelektronok találhatók, vegyértéksávnak nevezzük (ez alacsonyabb energiának felel meg). A vegyértéksávhoz legközelebbi nagy energiájú sávot vezetési sávnak, az energiasávok közötti üres teret tiltott sávnak nevezzük. Ha külső elektromos mezőt adunk hozzá, a vegyértéksávban lévő elektronok a vezetési sávba ugranak, ahol szabadon mozoghatnak és elektromosságot vezetnek. Ugyanakkor egy elektron elvesztése a vegyértéksávban egyenértékű egy pozitív töltésű lyuk megjelenésével, ez a külső elektromos mező szerepében lévő lyuk vezető szerepet is betölthet. Ezért a vegyértéksávban lévő lyuk és az elektronok vezetési sávja vezető szerepet tölt be, ezeket együttesen hordozóknak nevezzük.
(2) adalékolt félvezető és pn átmenet. Tiszta félvezető szennyeződések nélkül, az úgynevezett belső félvezető. Ha a belső félvezető szennyező atomokkal adalékolt, akkor a vegyértéksáv alatti és feletti vezetési sávban szennyeződési energiaszintek alakultak ki, amelyeket donor energiaszintnek, illetve fő energiaszintnek neveznek.
A domináns energiaszintű félvezetőket n-típusú félvezetőknek nevezzük; a domináns energiaszintű félvezetőket p-típusú félvezetőknek nevezzük. Szobahőmérsékleten a hő hatására n-típusú félvezetők képződhetnek, a donoratomok többsége disszociál, amelyben az elektron a vezetési sávig gerjesztve szabad elektronokká válik. A p-típusú félvezetők gazdaatomjainak többsége befogja az elektronokat a vegyértéksávban, és lyukakat képez a vegyértéksávban. Így az n-típusú félvezetőket főként a vezetési sávban lévő elektronok vezetik; A p-típusú félvezetőket főként a vegyértéksávban lévő lyukak vezetik.
A félvezető lézerekben használt félvezető anyagok nagy adalékkoncentrációval rendelkeznek, az n-típusú szennyeződés atomszáma általában (2-5) × 1018 cm-1; a p-típus (1-3) × 1019 cm-1.
Egy darab félvezető anyagban azt a tartományt, ahol a p-típusú tartományból az n-típusú tartományba hirtelen váltás következik be, pn átmenetnek nevezzük. Ennek határfelületén tértöltési régió képződik. az n-típusú félvezető sáv elektronjainak a p-régióba, míg a p-típusú félvezető vegyértéksávjában lévő lyukaknak az n-régióba kell diffundálniuk. Ily módon a szerkezet közelében lévő n-típusú régió pozitív töltésű, mivel ez a donor, a p-típusú régió pedig negatívan töltődik, mivel ez a vevő. Az n-régióból a p-régióba mutató határfelületen elektromos tér jön létre, amelyet saját építésű elektromos térnek nevezünk. Ez az elektromos tér megakadályozza az elektronok és lyukak folyamatos diffúzióját.
(3) pn átmenetű elektromos befecskendező gerjesztő mechanizmus. Ha pozitív előfeszítő feszültséget adunk a félvezető anyaghoz, ahol pn átmenet jön létre, akkor a p-régió a pozitív pólushoz, az n-régió pedig a negatív pólushoz kapcsolódik. Nyilvánvalóan az elektromos tér pozitív feszültsége és a saját építésű elektromos tér pn átmenete ellenkező irányú, a mozgást akadályozó elektronok diffúziójában gyengítette a kristályon a saját építésű elektromos teret, így a szabad elektronok n tartománya a pozitív feszültség szerepében, de egyenletes diffúziós áramlás a pn átmeneten keresztül a p tartományba a csatlakozási területen, ugyanakkor nagyszámú vezetési sáv elektron és vegyértéksáv van A csomóponti területen ugyanakkor nagyszámú elektron van a vezetési sávban és a vegyértéksávban lévő lyukban, ezeket a régióba injektálják, hogy kompozitot hozzon létre, amikor a vezetési sávban lévő elektronok a vegyértékre ugranak. sáv, a többlet energia kibocsátott fény formájában. Ez a félvezető tér lumineszcencia mechanizmusa, ezt a spontán összetett lumineszcenciát spontán sugárzásnak nevezzük.
Ahhoz, hogy a pn átmenet lézerfényt állítson elő, a részecske inverziós eloszlási állapotának szerkezetén belül kell kialakítani, erősen adalékolt félvezető anyagokat kell használni, szükséges a pn átmenet befecskendezése elég nagy (például 30,{{3} }A / cm2). Ily módon a lokális régió pn átmenetében több vezetési sávot képezhet az elektronban, mint ahány lyuk van a vegyértéksávban az állapoteloszlás inverziója, így generálva a gerjesztett kompozit sugárzást és a kibocsátott lézerfényt. .
2. Félvezető lézer szerkezet. Alakja és mérete, valamint kis teljesítményű félvezető tranzisztorja szinte megegyezik, csak a héjban több mint egy lézerkimeneti ablak. A rétegekből álló p- és n-terület találkozási területével befogva a találkozási terület több tíz mikrométer vastag, körülbelül 1 mm2-nél kisebb.
A félvezető lézer optikai rezonancia ürege a természetes oldat felületére merőleges pn átmeneti sík (110 felület) összetétele, fényvisszaverő képessége 35, elegendő volt a lézer oszcillációjához. Ha meg kell növelni a fényvisszaverő képességet lehet bevonni a kristály felületén egy réteg szilícium-dioxid, majd egy réteg fémes ezüst film, akkor kap több mint 95%-a visszaverődés.
Miután a félvezető lézert hozzáadtuk az előremenő előfeszítő feszültséghez, a részecskék száma a csomóponti területen megfordul és összetett lesz.
