تحليل بنية ومبدأ عمل الليزر أشباه الموصلات.
يتم استخدام ليزر زرنيخيد الغاليوم (GaAs) كمثال لتقديم مبدأ عمل الليزر المتجانس المحقون.
1. مبدأ تذبذب الليزر المتجانس المحقون: نظرًا لأن المادة شبه الموصلة نفسها لها بنية بلورية وبنية إلكترونية خاصة، فإن آلية تكوين الليزر لها خصوصيتها.
(1) بنية نطاق الطاقة لأشباه الموصلات. المواد شبه الموصلة هي في الغالب هياكل بلورية. عندما يحكم عدد كبير من الذرات ويتحد بإحكام في بلورة، تكون الإلكترونات التكافؤية في البلورة في نطاق طاقة البلورة. يسمى نطاق الطاقة الذي توجد فيه الإلكترونات التكافؤية نطاق التكافؤ (الذي يتوافق مع الطاقة المنخفضة). يسمى أقرب نطاق طاقة عالية إلى نطاق التكافؤ نطاق التوصيل، وتسمى المساحة الفارغة بين نطاقات الطاقة النطاق المحظور. عند إضافة مجال كهربائي خارجي، تقفز الإلكترونات في نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، حيث يمكنها التحرك بحرية وتوصيل الكهرباء. في نفس الوقت، فإن فقدان إلكترون في نطاق التكافؤ يعادل ظهور ثقب مشحون إيجابيا، هذا الثقب في دور المجال الكهربائي الخارجي، يمكن أن يلعب أيضًا دورًا موصلًا. لذلك، فإن الثقب في نطاق التكافؤ ونطاق توصيل الإلكترونات لهما دور موصل، يشار إليهما مجتمعين باسم الناقلات.
(2) أشباه الموصلات المشوبة ووصلة pn. أشباه الموصلات النقية الخالية من الشوائب، والمعروفة باسم أشباه الموصلات الجوهرية. إذا تم تطعيم أشباه الموصلات الجوهرية بذرات الشوائب، في نطاق التوصيل أسفل وفوق نطاق التكافؤ تشكل مستويات طاقة الشوائب، والمعروفة على التوالي باسم مستوى طاقة المانح ومستوى الطاقة الرئيسي.
تُسمى أشباه الموصلات ذات مستوى الطاقة السائد بأشباه الموصلات من النوع n؛ وتُسمى أشباه الموصلات ذات مستوى الطاقة السائد بأشباه الموصلات من النوع p. وفي درجة حرارة الغرفة، يمكن للحرارة أن تجعل أشباه الموصلات من النوع n، حيث تنفصل معظم الذرات المانحة، حيث يتم إثارة الإلكترون إلى نطاق التوصيل، وتصبح إلكترونات حرة. تلتقط معظم ذرات أشباه الموصلات المضيفة من النوع p الإلكترونات في نطاق التكافؤ وتشكل ثقوبًا في نطاق التكافؤ. وبالتالي، فإن أشباه الموصلات من النوع n يتم توصيلها بشكل أساسي بواسطة الإلكترونات في نطاق التوصيل؛ ويتم توصيل أشباه الموصلات من النوع p بشكل أساسي بواسطة ثقوب في نطاق التكافؤ.
تحتوي المواد شبه الموصلة المستخدمة في ليزر أشباه الموصلات على تركيز كبير من المنشطات، حيث يكون عدد ذرات الشوائب من النوع n عمومًا (2-5) × 1018cm-1؛ ويكون عدد ذرات الشوائب من النوع p (1-3) × 1019cm-1.
في قطعة من مادة شبه موصلة، تسمى المنطقة التي يحدث فيها تغيير مفاجئ من منطقة النوع p إلى منطقة النوع n بالوصلة pn. ستتشكل منطقة شحنة فراغية عند واجهتها. يجب أن تنتشر الإلكترونات في نطاق أشباه الموصلات من النوع n إلى منطقة p، بينما يجب أن تنتشر الثقوب في نطاق التكافؤ لأشباه الموصلات من النوع p إلى منطقة n. بهذه الطريقة، تكون المنطقة من النوع n بالقرب من الهيكل مشحونة إيجابيا لأنها الجهة المانحة، وتكون المنطقة من النوع p بالقرب من الوصلة مشحونة سلبًا لأنها المستقبل. يتشكل مجال كهربائي عند الواجهة التي تشير من المنطقة n إلى المنطقة p، تسمى المجال الكهربائي المبني ذاتيًا. يمنع هذا المجال الكهربائي الانتشار المستمر للإلكترونات والثقوب.
(3) آلية إثارة الحقن الكهربائي للوصلة pn. إذا تمت إضافة جهد تحيز موجب إلى مادة أشباه الموصلات حيث يتم تشكيل الوصلة pn، يتم توصيل المنطقة p بالقطب الموجب والمنطقة n بالقطب السالب. من الواضح أن الجهد الموجب للحقل الكهربائي والوصلة pn للحقل الكهربائي المبني ذاتيًا في الاتجاه المعاكس، مما يضعف المجال الكهربائي المبني ذاتيًا على البلورة في انتشار الإلكترونات في العائق أمام الحركة، بحيث تلعب المنطقة n للإلكترونات الحرة دور الجهد الموجب، ولكن أيضًا دفق ثابت من الانتشار عبر الوصلة pn إلى المنطقة p في منطقة الوصلة في نفس الوقت يوجد عدد كبير من إلكترونات نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ في منطقة الوصلة في نفس الوقت يوجد عدد كبير من الإلكترونات في نطاق التوصيل والثقب في نطاق التكافؤ، سيتم حقنها في المنطقة لإنتاج مركب، عندما تقفز الإلكترونات في نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ، الطاقة الزائدة في شكل ضوء ينبعث. هذه هي آلية تلألؤ مجال أشباه الموصلات، ويسمى هذا التلألؤ المركب العفوي بالإشعاع العفوي.
لجعل الوصلة pn تنتج ضوء الليزر، يجب أن تتشكل داخل بنية حالة توزيع عكس الجسيمات، والحاجة إلى استخدام مواد أشباه الموصلات المشوبة بكثافة، ويتطلب حقن تيار الوصلة pn أن يكون كبيرًا بما يكفي (مثل 30،000A / cm2). بهذه الطريقة، في الوصلة pn للمنطقة المحلية، يمكن تكوين نطاق التوصيل في الإلكترون أكثر من عدد الثقوب في نطاق التكافؤ لعكس توزيع الحالة، وبالتالي توليد الإشعاع المركب المثار وضوء الليزر الصادر.
2. بنية الليزر شبه الموصل. شكله وحجمه وترانزستور أشباه الموصلات منخفض الطاقة متماثلان تقريبًا، إلا أن الغلاف يحتوي على أكثر من نافذة إخراج ليزر. يتم تثبيته بمساحة الوصلة لمنطقة p ومنطقة n المكونة من طبقات، وسمك منطقة الوصلة عشرات الميكرومتر، ومساحة أقل من 1 مم2 تقريبًا.
تجويف الرنين الضوئي بالليزر شبه الموصل هو استخدام مستوى الوصلة pn العمودي على سطح المحلول الطبيعي (سطح 110) التركيب، وله انعكاسية 35، وهو كافٍ للتسبب في تذبذب الليزر. إذا كنت بحاجة إلى زيادة الانعكاسية، يمكن طلاء سطح البلورة بطبقة من السيليكا، ثم طبقة من فيلم الفضة المعدنية، يمكنك الحصول على أكثر من 95٪ من الانعكاسية.
بمجرد إضافة الليزر شبه الموصل إلى جهد التحيز الأمامي، سيتم عكس عدد الجسيمات في منطقة الوصلة وتركيبها.
