Yarimo'tkazgichli lazerlarning tuzilishi va ishlash printsipini tahlil qilish.
Gallium arsenid (GaAs) lazeri AOK qilingan gomojunction lazerining ishlash printsipini joriy qilish uchun misol sifatida ishlatiladi.
1. AOK qilingan gomojunksion lazerning tebranish printsipi. Yarimo'tkazgich materiali tufayli o'zi maxsus kristall tuzilishga va elektron tuzilishga ega, shuning uchun lazer mexanizmining shakllanishi o'ziga xos xususiyatga ega.
(1) Yarimo'tkazgichning energiya tasmasi tuzilishi. Yarimo'tkazgich materiallari asosan kristall tuzilmalardir. Ko'p sonli atomlar hukmronlik qilganda va kristallga mahkam birlashganda, kristalldagi valent elektronlar kristall energiya zonasida bo'ladi. Valentlik elektronlari joylashgan energiya zonasi valentlik zonasi deb ataladi (bu past energiyaga mos keladi). Valentlik zonasiga eng yaqin yuqori energiya zonasi o'tkazuvchanlik zonasi, energiya zonalari orasidagi bo'sh joy esa taqiqlangan zona deb ataladi. Tashqi elektr maydon qo'shilganda, valentlik zonasidagi elektronlar o'tkazuvchanlik zonasiga o'tadi, ular erkin harakatlanishi va elektr tokini o'tkazishi mumkin. Shu bilan birga, valentlik zonasida elektronning yo'qolishi musbat zaryadlangan teshikning paydo bo'lishiga tengdir, bu teshik tashqi elektr maydonining rolida, shuningdek, o'tkazuvchi rol o'ynashi mumkin. Shuning uchun valentlik zonasidagi teshik va elektronlarning o'tkazuvchanlik zonasi o'tkazuvchi rolga ega bo'lib, ular birgalikda tashuvchilar deb ataladi.
(2) qo'yilgan yarimo'tkazgich va pn birikmasi. Nopokliksiz sof yarimo'tkazgich, ichki yarimo'tkazgich sifatida tanilgan. Agar ichki yarimo'tkazgich nopoklik atomlari bilan qo'shilsa, valentlik zonasi ostidagi va yuqoridagi o'tkazuvchanlik zonasida mos ravishda donor energiya darajasi va asosiy energiya darajasi deb nomlanuvchi nopoklik energiya darajalari hosil bo'ladi.
Dominant energiya darajasiga ega bo'lgan yarim o'tkazgichlar n-tipli yarim o'tkazgichlar deb ataladi; dominant energiya darajasiga ega bo'lgan yarimo'tkazgichlar p tipidagi yarimo'tkazgichlar deb ataladi. Xona haroratida issiqlik n-tipli yarimo'tkazgichlarni hosil qilishi mumkin, donor atomlarning ko'pchiligi dissotsilanadi, bunda elektron o'tkazuvchanlik zonasiga qo'zg'atiladi, erkin elektronlarga aylanadi. P tipidagi yarimo'tkazgichlarning asosiy atomlari valentlik zonasida elektronlarni ushlab turadi va valentlik zonasida teshiklarni hosil qiladi. Shunday qilib, n-tipli yarim o'tkazgichlar asosan o'tkazuvchanlik zonasidagi elektronlar tomonidan o'tkaziladi; p tipidagi yarimo'tkazgichlar asosan valentlik zonasidagi teshiklar orqali o'tkaziladi.
Yarimo'tkazgichli lazerlarda ishlatiladigan yarimo'tkazgichli materiallar katta doping kontsentratsiyasiga ega, n-tipli nopoklik atom raqami odatda (2-5) × 1018 sm-1; p-turi (1-3) × 1019 sm-1.
Yarimo'tkazgich materialining bir bo'lagida p tipidagi mintaqadan n tipidagi mintaqaga keskin o'zgarish yuz beradigan mintaqa pn birikmasi deb ataladi. Uning interfeysida kosmik zaryad mintaqasi hosil bo'ladi. n-tipli yarimo'tkazgich zonasidagi elektronlar p-mintaqaga tarqalishi kerak, p-tipli yarimo'tkazgich valentlik zonasidagi teshiklar esa n-mintaqaga tarqalishi kerak. Shunday qilib, strukturaga yaqin joylashgan n-tipli mintaqa donor bo'lgani uchun musbat zaryadlanadi va tutashuv yaqinidagi p tipidagi mintaqa qabul qiluvchi bo'lgani uchun manfiy zaryadlanadi. n-mintaqadan p-mintaqaga ishora qiluvchi interfeysda elektr maydoni hosil bo'lib, o'z-o'zidan qurilgan elektr maydoni deb ataladi. Bu elektr maydoni elektronlar va teshiklarning davomli tarqalishini oldini oladi.
(3) pn birikmasi elektr in'ektsion qo'zg'alish mexanizmi. Agar pn birikmasi hosil bo'lgan yarimo'tkazgich materialiga musbat chiziqli kuchlanish qo'shilsa, p-hududi musbat qutbga va n-mintaqasi salbiy qutbga ulanadi. Shubhasiz, elektr maydonining ijobiy kuchlanishi va o'z-o'zidan qurilgan elektr maydonining teskari yo'nalishdagi pn birikmasi, harakatga to'sqinlik qiladigan elektronlarning tarqalishida kristall ustida o'z-o'zidan qurilgan elektr maydonini zaiflashtirdi, shuning uchun musbat kuchlanish rolida erkin elektronlarning n mintaqasi, shuningdek, pn o'tish orqali diffuziyaning barqaror oqimi bir vaqtning o'zida birlashma hududida p mintaqasiga bir vaqtning o'zida katta miqdordagi o'tkazuvchanlik zonasi elektronlari va valentlik zonasi mavjud. Birlashma sohasida bir vaqtning o'zida o'tkazuvchanlik zonasida va valentlik zonasidagi teshikda juda ko'p sonli elektronlar mavjud bo'lib, ular o'tkazuvchanlik zonasidagi elektronlar valentlikka sakrab tushganda kompozit hosil qilish uchun mintaqaga AOK qilinadi. tarmoqli, chiqarilgan yorug'lik shaklidagi ortiqcha energiya. Bu yarimo'tkazgichli maydonning luminesans mexanizmi, bu o'z-o'zidan paydo bo'ladigan birikma luminesans o'z-o'zidan nurlanish deb ataladi.
Lazer nurini ishlab chiqarish uchun pn birikmasini yaratish uchun zarrachalar inversiyasi taqsimoti holatining tuzilishida hosil bo'lishi kerak, kuchli qo'shilgan yarimo'tkazgich materiallaridan foydalanish kerak, pn o'tkazgichni kiritish etarli darajada katta (masalan, 30, {{3}) }A / sm2). Shunday qilib, mahalliy hududning pn o'tish joyida elektronda o'tkazuvchanlik zonasini holat taqsimotining inversiyasining valentlik zonasidagi teshiklar sonidan ko'proq hosil qilishi mumkin, bu esa hayajonlangan kompozit nurlanishni va chiqarilgan lazer nurini hosil qiladi. .
2. Yarimo'tkazgichli lazer tuzilishi. Uning shakli va o'lchami va kam quvvatli yarimo'tkazgichli tranzistor deyarli bir xil, faqat qobiqda bir nechta lazer chiqish oynasi mavjud. Qatlamlardan yasalgan p-maydon va n-maydonning birlashma maydoni bilan qisqichli, birlashma maydoni o'nlab mikrometr qalinlikda, maydoni taxminan 1 mm2 dan kam.
Yarimo'tkazgichli lazer optik rezonans bo'shlig'i tabiiy eritma yuzasi (110 sirt) tarkibiga perpendikulyar pn ulanish tekisligidan foydalanish bo'lib, u 35 ga teng aks ettirish qobiliyatiga ega, lazer tebranishini keltirib chiqarish uchun etarli bo'lgan. Agar siz reflektivlikni oshirishingiz kerak bo'lsa, kristall yuzasiga kremniy dioksidi qatlami, keyin esa metall kumush plyonka qatlami qo'yilishi mumkin, siz 95% dan ko'prog'ini aks ettirishingiz mumkin.
Yarimo'tkazgichli lazer to'g'ridan-to'g'ri kuchlanish kuchlanishiga qo'shilgach, birlashma sohasidagi zarrachalar soni teskari va kompozit bo'ladi.
