Análisis de la estructura y principio de funcionamiento de los láseres semiconductores.
Se utiliza el láser de arseniuro de galio (GaAs) como ejemplo para presentar el principio de funcionamiento del láser de homojunción inyectado.
1. Principio de oscilación del láser de homojunción inyectado. Debido a que el material semiconductor tiene una estructura cristalina y electrónica especiales, la formación del mecanismo láser tiene su propia particularidad.
(1) Estructura de banda de energía de semiconductores. Los materiales semiconductores son en su mayoría estructuras cristalinas. Cuando una gran cantidad de átomos gobiernan y se combinan estrechamente en un cristal, los electrones de valencia en el cristal están en la banda de energía del cristal. La banda de energía en la que se encuentran los electrones de valencia se llama banda de valencia (que corresponde a una energía más baja). La banda de alta energía más cercana a la banda de valencia se llama banda de conducción, y el espacio vacío entre las bandas de energía se llama banda prohibida. Cuando se agrega un campo eléctrico externo, los electrones en la banda de valencia saltan a la banda de conducción, donde pueden moverse libremente y conducir electricidad. Al mismo tiempo, la pérdida de un electrón en la banda de valencia es equivalente a la aparición de un agujero con carga positiva, este agujero en el papel del campo eléctrico externo, también puede desempeñar un papel conductor. Por lo tanto, el agujero en la banda de valencia y la banda de conducción de electrones tienen un papel conductor, denominados colectivamente portadores.
(2) Semiconductor dopado y unión pn. Semiconductor puro sin impurezas, conocido como semiconductor intrínseco. Si el semiconductor intrínseco se dopa con átomos de impurezas, en la banda de conducción por debajo y por encima de la banda de valencia se forman niveles de energía de impurezas, respectivamente, conocidos como nivel de energía donante y nivel de energía principal.
Los semiconductores con un nivel de energía dominante se denominan semiconductores de tipo n; los semiconductores con un nivel de energía dominante se denominan semiconductores de tipo p. A temperatura ambiente, el calor puede hacer que los semiconductores de tipo n, la mayoría de los átomos donantes se disocien, en los que el electrón se excita a la banda de conducción, se conviertan en electrones libres. La mayoría de los átomos anfitriones de los semiconductores de tipo p capturan electrones en la banda de valencia y forman huecos en la banda de valencia. Por lo tanto, los semiconductores de tipo n son conducidos principalmente por electrones en la banda de conducción; los semiconductores de tipo p son conducidos principalmente por huecos en la banda de valencia.
Los materiales semiconductores utilizados en láseres semiconductores tienen una gran concentración de dopaje, y el número de átomos de impureza de tipo n generalmente es (2-5) × 1018cm-1; el de tipo p es (1-3) × 1019cm-1.
En un trozo de material semiconductor, la región en la que se produce un cambio abrupto de la región de tipo p a la región de tipo n se denomina unión pn. En su interfaz se formará una región de carga espacial. Los electrones de la banda semiconductora de tipo n tienen que difundirse hacia la región p, mientras que los huecos de la banda de valencia semiconductora de tipo p tienen que difundirse hacia la región n. De esta manera, la región de tipo n cercana a la estructura tiene carga positiva porque es la donante, y la región de tipo p cercana a la unión tiene carga negativa porque es la receptora. En la interfaz se forma un campo eléctrico que apunta desde la región n a la región p, llamado campo eléctrico autogenerado. Este campo eléctrico impide la difusión continua de electrones y huecos.
(3) mecanismo de excitación de inyección eléctrica de unión pn. Si se agrega un voltaje de polarización positivo al material semiconductor donde se forma una unión pn, la región p se conecta al polo positivo y la región n al polo negativo. Obviamente, el voltaje positivo del campo eléctrico y la unión pn del campo eléctrico autoconstruido en la dirección opuesta, debilitó el campo eléctrico autoconstruido en el cristal en la difusión de electrones en el impedimento al movimiento, de modo que la región n de los electrones libres en el papel del voltaje positivo, pero también una corriente constante de difusión a través de la unión pn a la región p en el área de unión al mismo tiempo hay una gran cantidad de electrones de banda de conducción y banda de valencia En el área de unión al mismo tiempo hay una gran cantidad de electrones en la banda de conducción y el agujero en la banda de valencia, se inyectarán en la región para producir un compuesto, cuando los electrones en la banda de conducción saltan a la banda de valencia, el exceso de energía en forma de luz emitida. Este es el mecanismo de luminiscencia del campo semiconductor, esta luminiscencia compuesta espontánea se llama radiación espontánea.
Para que la unión pn produzca luz láser, se debe formar dentro de la estructura de la partícula un estado de distribución de inversión, se necesitan materiales semiconductores altamente dopados y se requiere la inyección de una corriente de unión pn lo suficientemente grande (como 30,3 A/cm2). De esta manera, en la región local de la unión pn, se puede formar una banda de conducción en el electrón con un número mayor que el de huecos en la banda de valencia de la distribución de inversión de estado, generando así la radiación compuesta excitada y la luz láser emitida.
2. Estructura del láser semiconductor. Su forma y tamaño son casi iguales a los del transistor semiconductor de baja potencia, solo que en la carcasa hay más de una ventana de salida láser. El área de unión de las áreas p y n está formada por capas, y el área de unión tiene un espesor de decenas de micrómetros y un área de aproximadamente menos de 1 mm2.
La cavidad resonante óptica del láser semiconductor utiliza un plano de unión pn perpendicular a la superficie de la solución natural (superficie 110) y tiene una reflectividad de 35, lo que es suficiente para provocar la oscilación del láser. Si es necesario aumentar la reflectividad, se puede recubrir la superficie del cristal con una capa de sílice y luego una capa de película de plata metálica, lo que puede lograr más del 95 % de reflectividad.
Una vez que se agrega el láser semiconductor al voltaje de polarización directa, la cantidad de partículas en el área de unión se invertirá y se compondrá.
