Analyse des Aufbaus und der Funktionsweise von Halbleiterlasern.
Am Beispiel eines Galliumarsenidlasers (GaAs) wird das Funktionsprinzip eines injizierten Homojunction-Lasers vorgestellt.
1. Das Schwingungsprinzip des injizierten Homojunction-Lasers. Da das Halbleitermaterial selbst eine spezielle Kristallstruktur und elektronische Struktur hat, weist die Bildung des Lasermechanismus seine eigene Besonderheit auf.
(1) Energiebandstruktur von Halbleitern. Halbleitermaterialien sind meist Kristallstrukturen. Wenn eine große Anzahl von Atomen in einem Kristall dicht miteinander verbunden ist, befinden sich die Valenzelektronen im Kristall im Kristallenergieband. Das Energieband, in dem sich die Valenzelektronen befinden, wird Valenzband genannt (was der niedrigeren Energie entspricht). Das dem Valenzband am nächsten gelegene Hochenergieband wird Leitungsband genannt, und der leere Raum zwischen den Energiebändern wird verbotenes Band genannt. Wenn ein externes elektrisches Feld hinzugefügt wird, springen die Elektronen im Valenzband in das Leitungsband, wo sie sich frei bewegen und Elektrizität leiten können. Gleichzeitig entspricht der Verlust eines Elektrons im Valenzband der Entstehung eines positiv geladenen Lochs, das in der Rolle des externen elektrischen Felds auch eine leitende Rolle spielen kann. Daher haben das Loch im Valenzband und das Leitungsband von Elektronen eine leitende Rolle und werden gemeinsam als Träger bezeichnet.
(2) Dotierter Halbleiter und pn-Übergang. Reiner Halbleiter ohne Verunreinigungen wird als intrinsischer Halbleiter bezeichnet. Wenn der intrinsische Halbleiter mit Fremdatomen dotiert ist, bilden sich im Leitungsband unterhalb und oberhalb des Valenzbandes Fremdenergieniveaus, die als Donatorenergieniveau und Hauptenergieniveau bezeichnet werden.
Halbleiter mit einem dominanten Energieniveau werden als n-Typ-Halbleiter bezeichnet; Halbleiter mit einem dominanten Energieniveau werden als p-Typ-Halbleiter bezeichnet. Bei Raumtemperatur können n-Typ-Halbleiter durch Wärme zu freien Elektronen werden, wobei die meisten Donoratome dissoziiert sind, wobei das Elektron in das Leitungsband angeregt wird. Die meisten Wirtsatome von p-Typ-Halbleitern fangen Elektronen im Valenzband ein und bilden Löcher im Valenzband. Somit werden n-Typ-Halbleiter hauptsächlich durch Elektronen im Leitungsband geleitet; p-Typ-Halbleiter werden hauptsächlich durch Löcher im Valenzband geleitet.
In Halbleiterlasern verwendete Halbleitermaterialien weisen eine hohe Dotierungskonzentration auf. Die Anzahl der Fremdatome beim n-Typ beträgt im Allgemeinen (2-5) × 1018cm-1, beim p-Typ (1-3) × 1019cm-1.
In einem Stück Halbleitermaterial wird der Bereich, in dem es einen abrupten Wechsel vom p-Typ-Bereich zum n-Typ-Bereich gibt, als pn-Übergang bezeichnet. An seiner Schnittstelle bildet sich ein Raumladungsbereich. Elektronen im n-Typ-Halbleiterband müssen in den p-Bereich diffundieren, während Löcher im p-Typ-Halbleitervalenzband in den n-Bereich diffundieren müssen. Auf diese Weise ist der n-Typ-Bereich in der Nähe der Struktur positiv geladen, da er der Spender ist, und der p-Typ-Bereich in der Nähe des Übergangs ist negativ geladen, da er der Empfänger ist. An der Schnittstelle, die vom n-Bereich zum p-Bereich zeigt, bildet sich ein elektrisches Feld, das als selbst aufgebautes elektrisches Feld bezeichnet wird. Dieses elektrische Feld verhindert die weitere Diffusion von Elektronen und Löchern.
(3) Anregungsmechanismus der elektrischen Injektion des pn-Übergangs. Wenn eine positive Vorspannung an das Halbleitermaterial angelegt wird, in dem sich ein pn-Übergang gebildet hat, wird die p-Region mit dem Pluspol und die n-Region mit dem Minuspol verbunden. Offensichtlich ist das elektrische Feld der positiven Spannung und das selbst aufgebaute elektrische Feld des pn-Übergangs in entgegengesetzter Richtung gerichtet, was die Bewegung der Elektronen im selbst aufgebauten elektrischen Feld im Kristall schwächt und so die Diffusion behindert, sodass die freien Elektronen im n-Bereich die Rolle der positiven Spannung spielen, aber auch einen stetigen Strom durch die Diffusion vom pn-Übergang zum p-Bereich bilden. Im Übergangsbereich befinden sich gleichzeitig eine große Anzahl von Elektronen im Leitungsband und im Valenzband. Im Übergangsbereich befinden sich gleichzeitig eine große Anzahl von Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband. Sie werden in den Bereich injiziert, um eine Verbindung zu bilden. Wenn die Elektronen im Leitungsband in das Valenzband springen, wird die überschüssige Energie in Form von Licht emittiert. Dies ist der Mechanismus der Halbleiterfeldlumineszenz. Diese spontane zusammengesetzte Lumineszenz wird als spontane Strahlung bezeichnet.
Um Laserlicht aus einem pn-Übergang zu erzeugen, muss innerhalb der Struktur ein invertierter Verteilungszustand der Teilchen gebildet werden. Dazu müssen hochdotierte Halbleitermaterialien verwendet werden, und der in den pn-Übergang eingespeiste Strom muss groß genug sein (etwa 30,000A/cm2). Auf diese Weise können sich in einem lokalen Bereich des pn-Übergangs mehr Elektronen im Leitungsband bilden als Löcher im Valenzband des invertierten Verteilungszustands, wodurch die angeregte zusammengesetzte Strahlung erzeugt und Laserlicht abgegeben wird.
2. Halbleiterlaserstruktur. Seine Form und Größe sind fast identisch mit denen von Halbleitertransistoren mit geringer Leistung, nur dass sich im Gehäuse mehr als ein Laserausgangsfenster befindet. Der Verbindungsabschnitt des p- und n-Bereichs besteht aus Schichten, die den Verbindungsabschnitt mit einer Dicke von mehreren zehn Mikrometern verbinden, was einer Fläche von weniger als 1 mm2 entspricht.
Der optische Resonanzhohlraum eines Halbleiterlasers besteht aus einer pn-Verbindungsebene senkrecht zur natürlichen Lösungsoberfläche (110-Oberfläche). Er weist eine Reflektivität von 35 auf, die ausreicht, um Laserschwingungen auszulösen. Wenn Sie die Reflektivität erhöhen möchten, können Sie eine Schicht Siliciumdioxid auf die Kristalloberfläche auftragen und dann eine Schicht metallischen Silberfilms auftragen. So können Sie eine Reflektivität von über 95 % erreichen.
Sobald der Halbleiterlaser zur Vorwärtsvorspannung hinzugefügt wird, wird die Anzahl der Partikel im Verbindungsgebiet umgekehrt und zusammengesetzt.
