Analisis struktur dan prinsip kerja laser semikonduktor.
Laser galium arsenida (GaAs) digunakan sebagai contoh untuk memperkenalkan prinsip kerja laser homojunction yang disuntikkan.
1. Prinsip osilasi laser homojunction yang disuntikkan. Karena bahan semikonduktor itu sendiri memiliki struktur kristal dan struktur elektronik yang khusus, maka pembentukan mekanisme laser memiliki kekhasannya sendiri.
(1) Struktur pita energi semikonduktor. Bahan semikonduktor sebagian besar berupa struktur kristal. Ketika sejumlah besar atom menguasai dan bergabung dengan rapat menjadi kristal, elektron valensi dalam kristal berada dalam pita energi kristal. Pita energi tempat elektron valensi berada disebut pita valensi (yang sesuai dengan energi yang lebih rendah). Pita energi tinggi terdekat dengan pita valensi disebut pita konduksi, dan ruang kosong di antara pita energi disebut pita terlarang. Ketika medan listrik eksternal ditambahkan, elektron dalam pita valensi melompat ke pita konduksi, di mana mereka dapat bergerak bebas dan menghantarkan listrik. Pada saat yang sama, hilangnya elektron dalam pita valensi setara dengan munculnya lubang bermuatan positif, lubang ini dalam peran medan listrik eksternal, juga dapat memainkan peran konduktif. Oleh karena itu, lubang di pita valensi dan pita konduksi elektron memiliki peran konduktif, secara kolektif disebut sebagai pembawa.
(2) semikonduktor terdoping dan sambungan p-n. Semikonduktor murni tanpa pengotor, dikenal sebagai semikonduktor intrinsik. Jika semikonduktor intrinsik didoping dengan atom pengotor, pada pita konduksi di bawah dan di atas pita valensi terbentuk tingkat energi pengotor, masing-masing, dikenal sebagai tingkat energi donor dan tingkat energi utama.
Semikonduktor dengan tingkat energi dominan disebut semikonduktor tipe-n; semikonduktor dengan tingkat energi dominan disebut semikonduktor tipe-p. Pada suhu ruangan, panas dapat membuat semikonduktor tipe-n, sebagian besar atom donor terdisosiasi, di mana elektron tereksitasi ke pita konduksi, menjadi elektron bebas. Sebagian besar atom inang semikonduktor tipe-p menangkap elektron di pita valensi dan membentuk lubang di pita valensi. Dengan demikian, semikonduktor tipe-n sebagian besar dihantarkan oleh elektron di pita konduksi; semikonduktor tipe-p sebagian besar dihantarkan oleh lubang di pita valensi.
Bahan semikonduktor yang digunakan dalam laser semikonduktor memiliki konsentrasi doping yang besar, dengan nomor atom pengotor tipe-n umumnya adalah (2-5) × 1018cm-1; tipe-p adalah (1-3) × 1019cm-1.
Pada sepotong bahan semikonduktor, daerah tempat terjadinya perubahan mendadak dari daerah tipe-p ke daerah tipe-n disebut sambungan p-n. Daerah muatan ruang akan terbentuk pada antarmukanya. Elektron dalam pita semikonduktor tipe-n harus berdifusi ke daerah-p, sedangkan lubang dalam pita valensi semikonduktor tipe-p harus berdifusi ke daerah-n. Dengan cara ini, daerah tipe-n di dekat struktur bermuatan positif karena merupakan donor, dan daerah tipe-p di dekat sambungan bermuatan negatif karena merupakan penerima. Medan listrik terbentuk pada antarmuka yang menunjuk dari daerah-n ke daerah-p, yang disebut medan listrik yang terbentuk sendiri. Medan listrik ini mencegah difusi elektron dan lubang yang berkelanjutan.
(3) mekanisme eksitasi injeksi listrik sambungan pn. Jika tegangan bias positif ditambahkan ke bahan semikonduktor tempat sambungan pn terbentuk, daerah p dihubungkan ke kutub positif dan daerah n ke kutub negatif. Jelas, tegangan positif medan listrik dan sambungan pn dari medan listrik yang dibangun sendiri dalam arah yang berlawanan, itu melemahkan medan listrik yang dibangun sendiri pada kristal dalam difusi elektron dalam halangan terhadap gerakan, sehingga daerah n elektron bebas dalam peran tegangan positif, tetapi juga aliran difusi yang stabil melalui sambungan pn ke daerah p di area sambungan pada saat yang sama ada sejumlah besar elektron pita konduksi dan pita valensi Di area sambungan pada saat yang sama ada sejumlah besar elektron di pita konduksi dan lubang di pita valensi, mereka akan disuntikkan ke wilayah tersebut untuk menghasilkan komposit, ketika elektron di pita konduksi melompat ke pita valensi, kelebihan energi dalam bentuk cahaya yang dipancarkan. Ini adalah mekanisme pendaran cahaya medan semikonduktor, pendaran cahaya senyawa spontan ini disebut radiasi spontan.
Agar sambungan pn dapat menghasilkan cahaya laser, harus dibentuk dalam struktur keadaan distribusi inversi partikel, perlu menggunakan bahan semikonduktor yang sangat terdoping, memerlukan penyuntikan arus sambungan pn yang cukup besar (seperti 30,000A / cm2). Dengan cara ini, di daerah lokal sambungan pn, dapat membentuk pita konduksi di dalam elektron yang lebih banyak daripada jumlah lubang di pita valensi dari keadaan distribusi inversi, sehingga menghasilkan radiasi komposit yang tereksitasi dan mengeluarkan cahaya laser.
2. Struktur laser semikonduktor. Bentuk dan ukurannya serta transistor semikonduktor berdaya rendah hampir sama, hanya saja pada cangkangnya terdapat lebih dari satu jendela keluaran laser. Dijepit dengan area sambungan area p dan area n yang terbuat dari lapisan-lapisan, area sambungannya setebal puluhan mikrometer, luasnya kurang lebih 1mm2.
Rongga resonansi optik laser semikonduktor adalah penggunaan bidang sambungan p-n yang tegak lurus terhadap permukaan larutan alami (permukaan 110) dengan komposisi, memiliki reflektivitas 35, yang cukup untuk menyebabkan osilasi laser. Jika Anda perlu meningkatkan reflektivitas, Anda dapat melapisi permukaan kristal dengan lapisan silika, lalu lapisan film perak metalik, Anda bisa mendapatkan lebih dari 95% reflektivitas.
Setelah laser semikonduktor ditambahkan ke tegangan bias maju, jumlah partikel di area sambungan akan dibalik dan komposit.
