การวิเคราะห์โครงสร้างและหลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

การวิเคราะห์โครงสร้างและหลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์แกเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ใช้เป็นตัวอย่างเพื่อแนะนำหลักการทำงานของเลเซอร์โฮโมจันก์ชั่นแบบฉีด

1. หลักการสั่นของเลเซอร์โฮโมจันก์ชั่นแบบฉีด เนื่องจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เองมีโครงสร้างผลึกและโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พิเศษ ดังนั้นกลไกการสร้างเลเซอร์จึงมีความพิเศษเฉพาะตัว

(1) โครงสร้างแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำ วัสดุสารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างผลึก เมื่ออะตอมจำนวนมากปกครองและรวมกันแน่นเป็นผลึก อิเล็กตรอนวาเลนซ์ในผลึกจะอยู่ในแถบพลังงานของผลึก แถบพลังงานที่อิเล็กตรอนวาเลนซ์ตั้งอยู่เรียกว่าแถบวาเลนซ์ (ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานต่ำ) แถบพลังงานสูงที่ใกล้ที่สุดกับแถบวาเลนซ์เรียกว่าแถบการนำไฟฟ้า และช่องว่างระหว่างแถบพลังงานเรียกว่าแถบต้องห้าม เมื่อมีการเพิ่มสนามไฟฟ้าภายนอก อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์จะกระโดดไปที่แถบการนำไฟฟ้า ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและนำไฟฟ้าได้ ในเวลาเดียวกัน การสูญเสียอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์จะเทียบเท่ากับการเกิดหลุมที่มีประจุบวก หลุมนี้ในบทบาทของสนามไฟฟ้าภายนอก ยังสามารถมีบทบาทในการนำไฟฟ้าได้ด้วย ดังนั้น หลุมในแถบวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนจึงมีบทบาทในการนำไฟฟ้า เรียกรวมกันว่าตัวพา

(2) สารกึ่งตัวนำที่เจือปนและรอยต่อ pn สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ที่ไม่มีสิ่งเจือปน เรียกว่าสารกึ่งตัวนำแท้ หากสารกึ่งตัวนำที่เจือปนด้วยอะตอมสิ่งเจือปน ในแถบการนำไฟฟ้าด้านล่างและด้านบนแถบวาเลนซ์จะก่อตัวเป็นระดับพลังงานสิ่งเจือปน เรียกว่าระดับพลังงานผู้ให้และระดับพลังงานหลักตามลำดับ

สารกึ่งตัวนำที่มีระดับพลังงานที่โดดเด่นเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด n ส่วนสารกึ่งตัวนำที่มีระดับพลังงานที่โดดเด่นเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิด p ที่อุณหภูมิห้อง ความร้อนสามารถทำให้สารกึ่งตัวนำชนิด n แตกตัวออกได้ โดยอะตอมของตัวให้ส่วนใหญ่จะแตกตัวออก ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นไปที่แถบการนำไฟฟ้า กลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ อะตอมโฮสต์ส่วนใหญ่ของสารกึ่งตัวนำชนิด p จะจับอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์และสร้างรูในแถบวาเลนซ์ ดังนั้น สารกึ่งตัวนำชนิด n จึงถูกอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้านำไฟฟ้าเป็นหลัก ส่วนสารกึ่งตัวนำชนิด p นั้นถูกอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์นำไฟฟ้าเป็นหลัก

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีความเข้มข้นของการเจือปนในปริมาณมาก โดยทั่วไปแล้วเลขอะตอมของสิ่งเจือปนชนิด n จะเท่ากับ (2-5) × 1018 ซม.-1 ส่วนชนิด p จะเท่ากับ (1-3) × 1019 ซม.-1

ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนที่มีการเปลี่ยนแปลงกะทันหันจากบริเวณ p-type ไปเป็นบริเวณ n-type เรียกว่ารอยต่อ pn บริเวณประจุไฟฟ้าจะก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนในแถบเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n จะต้องแพร่กระจายเข้าไปในบริเวณ p-type ในขณะที่โฮลในแถบวาเลนซ์ของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p จะต้องแพร่กระจายเข้าไปในบริเวณ n-type ด้วยวิธีนี้ บริเวณ n-type ใกล้กับโครงสร้างจะมีประจุบวก เนื่องจากเป็นตัวนำ และพื้นที่ p-type ใกล้กับรอยต่อจะมีประจุลบ เนื่องจากเป็นตัวรับ สนามไฟฟ้าจะก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานที่ชี้จากบริเวณ n-type ไปยังบริเวณ p-type เรียกว่าสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเอง สนามไฟฟ้านี้จะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนและโฮลแพร่กระจายอย่างต่อเนื่อง

(3) กลไกการกระตุ้นการฉีดไฟฟ้าที่รอยต่อ pn หากเพิ่มแรงดันไฟฟ้าไบอัสบวกให้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่รอยต่อ pn เกิดขึ้น บริเวณ p จะเชื่อมต่อกับขั้วบวก และบริเวณ n จะเชื่อมต่อกับขั้วลบ เห็นได้ชัดว่าแรงดันไฟฟ้าบวกของสนามไฟฟ้าและจุดเชื่อมต่อ pn ของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเองในทิศทางตรงข้ามทำให้สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเองบนคริสตัลอ่อนลงในการแพร่ของอิเล็กตรอนในอุปสรรคต่อการเคลื่อนไหวเพื่อให้บริเวณ n ของอิเล็กตรอนอิสระในบทบาทของแรงดันไฟฟ้าบวก แต่ยังมีกระแสการแพร่อย่างต่อเนื่องผ่านจุดเชื่อมต่อ pn ไปยังบริเวณ p ในพื้นที่จุดเชื่อมต่อในเวลาเดียวกันมีอิเล็กตรอนในแถบการนำและแถบวาเลนซ์จำนวนมากในพื้นที่จุดเชื่อมต่อในเวลาเดียวกันมีอิเล็กตรอนจำนวนมากในแถบการนำและรูในแถบวาเลนซ์พวกมันจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณนั้นเพื่อผลิตคอมโพสิตเมื่ออิเล็กตรอนในแถบการนำกระโดดไปที่แถบวาเลนซ์พลังงานส่วนเกินในรูปแบบของแสงที่ปล่อยออกมา นี่คือกลไกของการเรืองแสงของสนามเซมิคอนดักเตอร์การเรืองแสงของสารประกอบโดยธรรมชาตินี้เรียกว่าการแผ่รังสีโดยธรรมชาติ

ในการสร้างรอยต่อ pn เพื่อผลิตแสงเลเซอร์ จะต้องสร้างสถานะการกระจายการผกผันของอนุภาคภายในโครงสร้าง ต้องใช้สารกึ่งตัวนำที่มีการเจือปนอย่างหนัก ซึ่งต้องฉีดกระแสรอยต่อ pn ให้มากพอ (เช่น 30,000A/cm2) ด้วยวิธีนี้ ในรอยต่อ pn ของบริเวณท้องถิ่น สามารถสร้างแถบการนำไฟฟ้าในอิเล็กตรอนได้มากกว่าจำนวนโฮลในแถบวาเลนซ์ของสถานะการผกผันของการกระจาย จึงสร้างรังสีคอมโพสิตที่กระตุ้นและปล่อยแสงเลเซอร์ออกมา

2. โครงสร้างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ รูปร่าง ขนาด และทรานซิสเตอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังต่ำเกือบจะเหมือนกัน เพียงแต่ภายในเปลือกมีหน้าต่างเอาต์พุตเลเซอร์มากกว่าหนึ่งช่อง เมื่อยึดพื้นที่รอยต่อของพื้นที่ p และพื้นที่ n ไว้เป็นชั้นๆ พื้นที่รอยต่อจะมีความหนาหลายสิบไมโครเมตร พื้นที่ประมาณน้อยกว่า 1 มม.2

โพรงเรโซแนนซ์ออปติกเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือการใช้ระนาบรอยต่อ pn ที่ตั้งฉากกับองค์ประกอบพื้นผิวของสารละลายธรรมชาติ (พื้นผิว 110) มีค่าการสะท้อนแสง 35 ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ได้ หากคุณต้องการเพิ่มค่าการสะท้อนแสง สามารถชุบซิลิกาบนพื้นผิวผลึกแล้วเคลือบฟิล์มเงินเมทัลลิกอีกชั้นหนึ่ง คุณจะได้ค่าการสะท้อนแสงมากกว่า 95%

เมื่อเพิ่มเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ลงในแรงดันไฟฟ้าไบอัสไปข้างหน้า จำนวนของอนุภาคในพื้นที่รอยต่อจะย้อนกลับและประกอบกัน