반도체 레이저의 구조와 작동 원리 분석.
갈륨비소화(GaAs) 레이저를 예로 들어 주입형 동종접합 레이저의 작동 원리를 소개합니다.
1. 주입형 호모접합 레이저의 진동 원리. 반도체 재료 자체가 특수한 결정 구조와 전자 구조를 가지고 있기 때문에 레이저 메커니즘의 형성에는 고유한 특성이 있습니다.
(1) 반도체의 에너지 밴드 구조. 반도체 물질은 대부분 결정 구조입니다. 많은 수의 원자가 지배하고 단단히 결합되어 결정이 되면 결정 내의 원자가 전자는 결정 에너지 밴드에 있습니다. 원자가 전자가 위치한 에너지 밴드를 원자가 밴드(낮은 에너지에 해당)라고 합니다. 원자가 밴드에 가장 가까운 고에너지 밴드를 전도 밴드라고 하며, 에너지 밴드 사이의 빈 공간을 금지 밴드라고 합니다. 외부 전기장을 더하면 원자가 밴드의 전자가 전도 밴드로 점프하여 자유롭게 이동하여 전기를 전도할 수 있습니다. 동시에 원자가 밴드에서 전자를 잃는 것은 양전하를 띤 홀이 나타나는 것과 같으며, 이 홀은 외부 전기장의 역할에서 전도 역할을 할 수도 있습니다. 따라서 원자가 밴드와 전자의 전도 밴드의 홀은 전도 역할을 하며, 이를 총칭하여 캐리어라고 합니다.
(2) 도핑된 반도체와 pn 접합. 불순물이 없는 순수한 반도체를 진성 반도체라고 한다. 진성 반도체에 불순물 원자가 도핑되면, 가전자대 아래와 위의 전도대에 불순물 에너지 준위가 형성되고, 이를 각각 도너 에너지 준위와 메인 에너지 준위라고 한다.
지배적인 에너지 준위를 가진 반도체를 n형 반도체라고 하며, 지배적인 에너지 준위를 가진 반도체를 p형 반도체라고 합니다. 실온에서 열은 n형 반도체를 만들 수 있으며, 대부분의 도너 원자는 해리되고, 전자는 전도대로 여기되어 자유 전자가 됩니다. p형 반도체의 대부분의 호스트 원자는 원자가치대의 전자를 포획하고 원자가치대에 홀을 형성합니다. 따라서 n형 반도체는 주로 전도대의 전자에 의해 전도되고, p형 반도체는 주로 원자가치대의 홀에 의해 전도됩니다.
반도체 레이저에 사용되는 반도체 물질은 도핑 농도가 크고, n형 불순물 원자 번호는 일반적으로 (2-5) × 1018cm-1이고, p형은 (1-3) × 1019cm-1입니다.
반도체 재료에서 p형 영역에서 n형 영역으로 급격히 변하는 영역을 pn 접합이라고 합니다. 경계면에 공간 전하 영역이 형성됩니다. n형 반도체 밴드의 전자는 p 영역으로 확산되어야 하고, p형 반도체 가전자대의 정공은 n 영역으로 확산되어야 합니다. 이런 식으로 구조 근처의 n형 영역은 공여체이기 때문에 양전하를 띠고, 접합 근처의 p형 영역은 수신기이기 때문에 음전하를 띱니다. n 영역에서 p 영역으로 향하는 경계면에는 자체 구축 전기장이라고 하는 전기장이 형성됩니다. 이 전기장은 전자와 정공의 지속적인 확산을 방지합니다.
(3) pn 접합 전기 주입 여기 메커니즘. pn 접합이 형성된 반도체 재료에 양의 바이어스 전압을 추가하면 p 영역이 양극에 연결되고 n 영역이 음극에 연결됩니다. 분명히 전기장의 양전압과 pn 접합의 자체 구축 전기장은 반대 방향으로 전자의 확산을 방해하는 결정의 자체 구축 전기장을 약화시켜 n 영역의 자유 전자가 양전압의 역할을 하지만 pn 접합을 통해 접합 영역에서 p 영역으로의 확산의 꾸준한 흐름이 동시에 많은 수의 전도대 전자와 가전자대가 있습니다. 접합 영역에서 동시에 많은 수의 전도대 전자와 가전자대가 있으며, 이들은 영역으로 주입되어 복합체를 생성하고 전도대 전자가 가전자대로 점프하면 과잉 에너지가 빛의 형태로 방출됩니다. 이것이 반도체 전계 발광의 메커니즘이고, 이러한 자발적 화합물 발광을 자발적 복사라고 합니다.
pn 접합을 만들어 레이저 광을 생성하려면 입자의 구조 내에서 반전 분포 상태를 형성해야 하며, 고농도로 도핑된 반도체 재료를 사용해야 하며, pn 접합 전류 주입이 충분히 커야 합니다(예: 30,000A/cm2). 이런 식으로, pn 접합의 국소 영역에서 전자의 전도대가 가전자대의 홀 수보다 많은 반전 분포 상태를 형성할 수 있으므로 여기된 복합 복사선을 생성하고 레이저 광을 방출합니다.
2. 반도체 레이저 구조. 그 모양과 크기, 저전력 반도체 트랜지스터는 거의 동일하며, 쉘에 레이저 출력 창이 하나 이상 있습니다. p 영역과 n 영역의 접합 영역이 층으로 구성되어 클램프되어 접합 영역은 수십 마이크로미터 두께이며, 면적은 약 1mm2 미만입니다.
반도체 레이저 광 공진 공동은 자연 용액 표면(110 표면) 구성에 수직인 pn 접합 평면을 사용하여 35의 반사율을 가지며 레이저 진동을 일으키기에 충분했습니다. 반사율을 높여야 하는 경우 실리카 층의 결정 표면에 도금한 다음 금속 은 필름 층을 도금하면 반사율의 95% 이상을 얻을 수 있습니다.
반도체 레이저에 순방향 바이어스 전압을 더하면 접합 영역의 입자 수는 반전되고 합성됩니다.
