Analyse de la structure et du principe de fonctionnement des lasers à semi-conducteurs.
Le laser à l'arséniure de gallium (GaAs) est utilisé comme exemple pour introduire le principe de fonctionnement du laser à homojonction injectée.
1. Le principe d'oscillation du laser à homojonction injecté. Étant donné que le matériau semi-conducteur lui-même possède une structure cristalline et une structure électronique particulières, la formation du mécanisme laser a sa propre particularité.
(1) Structure de bande d'énergie des semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs sont principalement des structures cristallines. Lorsqu'un grand nombre d'atomes règnent et sont étroitement combinés dans un cristal, les électrons de valence du cristal se trouvent dans la bande d'énergie du cristal. La bande d'énergie dans laquelle se trouvent les électrons de valence est appelée bande de valence (qui correspond à une énergie inférieure). La bande d'énergie élevée la plus proche de la bande de valence est appelée bande de conduction, et l'espace vide entre les bandes d'énergie est appelé bande interdite. Lorsqu'un champ électrique externe est ajouté, les électrons de la bande de valence sautent vers la bande de conduction, où ils peuvent se déplacer librement et conduire l'électricité. Dans le même temps, la perte d'un électron dans la bande de valence équivaut à l'émergence d'un trou chargé positivement, ce trou dans le rôle du champ électrique externe, peut également jouer un rôle conducteur. Par conséquent, le trou dans la bande de valence et la bande de conduction des électrons ont un rôle conducteur, collectivement appelés porteurs.
(2) Semi-conducteur dopé et jonction pn. Semi-conducteur pur sans impuretés, appelé semi-conducteur intrinsèque. Si le semi-conducteur intrinsèque est dopé avec des atomes d'impuretés, dans la bande de conduction en dessous et au-dessus de la bande de valence se forment des niveaux d'énergie d'impuretés, appelés respectivement niveau d'énergie donneur et niveau d'énergie principal.
Les semi-conducteurs à niveau d'énergie dominant sont appelés semi-conducteurs de type n ; les semi-conducteurs à niveau d'énergie dominant sont appelés semi-conducteurs de type p. À température ambiante, la chaleur peut faire en sorte que les semi-conducteurs de type n, la plupart des atomes donneurs sont dissociés, dans lesquels l'électron est excité vers la bande de conduction, deviennent des électrons libres. La plupart des atomes hôtes des semi-conducteurs de type p capturent des électrons dans la bande de valence et forment des trous dans la bande de valence. Ainsi, les semi-conducteurs de type n sont principalement conduits par des électrons dans la bande de conduction ; les semi-conducteurs de type p sont principalement conduits par des trous dans la bande de valence.
Les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les lasers à semi-conducteurs ont une concentration de dopage élevée, le nombre d'atomes d'impureté de type n étant généralement (2-5) × 1018cm-1 ; le type p est (1-3) × 1019cm-1.
Dans un matériau semi-conducteur, la région où se produit un changement brusque de la région de type p à la région de type n est appelée jonction pn. Une région de charge d'espace se formera à son interface. Les électrons de la bande de semi-conducteur de type n doivent diffuser dans la région p, tandis que les trous de la bande de valence du semi-conducteur de type p doivent diffuser dans la région n. De cette façon, la région de type n proche de la structure est chargée positivement car elle est le donneur, et la région de type p proche de la jonction est chargée négativement car elle est le récepteur. Un champ électrique se forme à l'interface pointant de la région n vers la région p, appelé champ électrique auto-construit. Ce champ électrique empêche la diffusion continue des électrons et des trous.
(3) Mécanisme d'excitation par injection électrique de jonction pn. Si une tension de polarisation positive est ajoutée au matériau semi-conducteur où une jonction pn est formée, la région p est connectée au pôle positif et la région n au pôle négatif. De toute évidence, la tension positive du champ électrique et la jonction pn du champ électrique auto-construit dans la direction opposée, il affaiblit le champ électrique auto-construit sur le cristal dans la diffusion des électrons dans l'obstacle au mouvement, de sorte que la région n des électrons libres dans le rôle de la tension positive, mais aussi un flux constant de diffusion à travers la jonction pn vers la région p dans la zone de jonction en même temps il y a un grand nombre d'électrons de la bande de conduction et de la bande de valence Dans la zone de jonction en même temps il y a un grand nombre d'électrons dans la bande de conduction et le trou dans la bande de valence, ils seront injectés dans la région pour produire un composite, lorsque les électrons de la bande de conduction sautent vers la bande de valence, l'excès d'énergie sous forme de lumière émise. C'est le mécanisme de luminescence de champ semi-conducteur, cette luminescence composée spontanée est appelée rayonnement spontané.
Pour que la jonction pn produise une lumière laser, il faut former une distribution d'états inversée de particules dans la structure, il faut utiliser des matériaux semi-conducteurs fortement dopés et il faut que le courant d'injection de la jonction pn soit suffisamment important (par exemple 30 3 A/cm2). De cette façon, dans la région locale de la jonction pn, il est possible de former une bande de conduction dans laquelle les électrons forment un nombre supérieur au nombre de trous dans la bande de valence de la distribution d'état inversée, ce qui génère un rayonnement composite excité et une lumière laser émise.
2. Structure du laser à semi-conducteur. Sa forme et sa taille sont presque identiques à celles du transistor à semi-conducteur de faible puissance, sauf qu'il y a plus d'une fenêtre de sortie laser dans la coque. La zone de jonction des zones p et n est constituée de couches, la zone de jonction a une épaisseur de plusieurs dizaines de micromètres et une surface inférieure à 1 mm2 environ.
La cavité résonante optique laser à semi-conducteur utilise un plan de jonction pn perpendiculaire à la surface de la solution naturelle (surface 110), elle a une réflectivité de 35, ce qui est suffisant pour provoquer une oscillation laser. Si vous avez besoin d'augmenter la réflectivité, vous pouvez plaquer une couche de silice sur la surface du cristal, puis une couche de film d'argent métallique, vous pouvez obtenir plus de 95 % de la réflectivité.
Une fois le laser à semi-conducteur ajouté à la tension de polarisation directe, le nombre de particules dans la zone de jonction sera inversé et composite.
