Phân tích cấu trúc và nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn.
Laser gallium arsenide (GaAs) được sử dụng làm ví dụ để giới thiệu nguyên lý hoạt động của laser homojunction tiêm.
1. Nguyên lý dao động của laser homojunction tiêm. Do bản thân vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể và cấu trúc điện tử đặc biệt nên cơ chế hình thành laser có tính đặc thù riêng.
(1) Cấu trúc dải năng lượng của chất bán dẫn. Vật liệu bán dẫn chủ yếu là cấu trúc tinh thể. Khi một số lượng lớn các nguyên tử thống trị và kết hợp chặt chẽ thành một tinh thể, các electron hóa trị trong tinh thể nằm trong dải năng lượng của tinh thể. Dải năng lượng mà các electron hóa trị nằm trong đó được gọi là dải hóa trị (tương ứng với năng lượng thấp hơn). Dải năng lượng cao gần nhất với dải hóa trị được gọi là dải dẫn và không gian trống giữa các dải năng lượng được gọi là dải cấm. Khi một trường điện bên ngoài được thêm vào, các electron trong dải hóa trị nhảy lên dải dẫn, tại đó chúng có thể chuyển động tự do và dẫn điện. Đồng thời, sự mất mát của một electron trong dải hóa trị tương đương với sự xuất hiện của một lỗ trống tích điện dương, lỗ trống này trong vai trò của trường điện bên ngoài, cũng có thể đóng vai trò dẫn điện. Do đó, lỗ trống trong dải hóa trị và dải dẫn của các electron có vai trò dẫn điện, được gọi chung là các hạt mang điện.
(2) chất bán dẫn pha tạp và tiếp giáp pn. Chất bán dẫn tinh khiết không có tạp chất, được gọi là chất bán dẫn nội tại. Nếu chất bán dẫn nội tại được pha tạp với các nguyên tử tạp chất, trong dải dẫn điện bên dưới và bên trên dải hóa trị hình thành các mức năng lượng tạp chất, tương ứng, được gọi là mức năng lượng donor và mức năng lượng chính.
Chất bán dẫn có mức năng lượng trội được gọi là chất bán dẫn loại n; chất bán dẫn có mức năng lượng trội được gọi là chất bán dẫn loại p. Ở nhiệt độ phòng, nhiệt có thể làm cho chất bán dẫn loại n, hầu hết các nguyên tử donor bị phân ly, trong đó electron được kích thích lên vùng dẫn, trở thành các electron tự do. Hầu hết các nguyên tử chủ của chất bán dẫn loại p bắt các electron trong vùng hóa trị và tạo thành các lỗ trống trong vùng hóa trị. Do đó, chất bán dẫn loại n chủ yếu được dẫn bởi các electron trong vùng dẫn; chất bán dẫn loại p chủ yếu được dẫn bởi các lỗ trống trong vùng hóa trị.
Vật liệu bán dẫn được sử dụng trong laser bán dẫn có nồng độ pha tạp lớn, với số nguyên tử tạp chất loại n thường là (2-5) × 1018cm-1; loại p là (1-3) × 1019cm-1.
Trong một mảnh vật liệu bán dẫn, vùng có sự thay đổi đột ngột từ vùng loại p sang vùng loại n được gọi là tiếp giáp pn. Một vùng điện tích không gian sẽ được hình thành tại giao diện của nó. Các electron trong dải bán dẫn loại n phải khuếch tán vào vùng p, trong khi các lỗ trống trong dải hóa trị bán dẫn loại p phải khuếch tán vào vùng n. Theo cách này, vùng loại n gần cấu trúc mang điện tích dương vì nó là chất cho, và vùng loại p gần tiếp giáp mang điện tích âm vì nó là chất nhận. Một trường điện được hình thành tại giao diện hướng từ vùng n đến vùng p, được gọi là trường điện tự tạo. Trường điện này ngăn cản sự khuếch tán liên tục của các electron và lỗ trống.
(3) Cơ chế kích thích phun điện tiếp giáp pn. Nếu một điện áp phân cực dương được thêm vào vật liệu bán dẫn nơi hình thành tiếp giáp pn, vùng p được kết nối với cực dương và vùng n với cực âm. Rõ ràng, điện áp dương của điện trường và tiếp giáp pn của điện trường tự xây dựng theo hướng ngược lại, nó làm suy yếu điện trường tự xây dựng trên tinh thể trong quá trình khuếch tán các electron trong sự cản trở chuyển động, do đó vùng n của các electron tự do trong vai trò của điện áp dương, nhưng cũng là một luồng khuếch tán ổn định qua tiếp giáp pn đến vùng p trong khu vực tiếp giáp đồng thời có một số lượng lớn các electron dải dẫn và dải hóa trị Trong khu vực tiếp giáp đồng thời có một số lượng lớn các electron trong dải dẫn và lỗ trống trong dải hóa trị, chúng sẽ được tiêm vào vùng để tạo ra một hợp chất, khi các electron trong dải dẫn nhảy đến dải hóa trị, năng lượng dư thừa dưới dạng ánh sáng phát ra. Đây là cơ chế phát quang của trường bán dẫn, sự phát quang hợp chất tự phát này được gọi là bức xạ tự phát.
Để làm cho tiếp giáp pn tạo ra ánh sáng laser, phải được hình thành trong cấu trúc trạng thái phân bố đảo ngược hạt, cần sử dụng vật liệu bán dẫn pha tạp nặng, đòi hỏi dòng điện tiêm tiếp giáp pn phải đủ lớn (như 30,000A / cm2). Theo cách này, trong tiếp giáp pn của vùng cục bộ, có thể hình thành dải dẫn trong electron nhiều hơn số lượng lỗ trống trong dải hóa trị của sự đảo ngược trạng thái phân bố, do đó tạo ra bức xạ tổng hợp kích thích và phát ra ánh sáng laser.
2. Cấu trúc laser bán dẫn. Hình dạng và kích thước của nó và bóng bán dẫn công suất thấp gần như giống nhau, chỉ có nhiều hơn một cửa sổ đầu ra laser trong vỏ. Kẹp với vùng tiếp giáp của vùng p và vùng n được tạo thành từ nhiều lớp, vùng tiếp giáp dày hàng chục micromet, diện tích khoảng dưới 1mm2.
Khoang cộng hưởng quang học laser bán dẫn là sử dụng mặt phẳng tiếp giáp pn vuông góc với bề mặt dung dịch tự nhiên (bề mặt 110), có độ phản xạ là 35, đã đủ để gây ra dao động laser. Nếu bạn cần tăng độ phản xạ có thể mạ một lớp silica trên bề mặt tinh thể, sau đó là một lớp màng bạc kim loại, bạn có thể đạt được độ phản xạ hơn 95%.
Khi tia laser bán dẫn được thêm vào điện áp phân cực thuận, số lượng hạt trong vùng tiếp giáp sẽ bị đảo ngược và tổng hợp.
