अर्धचालक लेज़रों की संरचना और कार्य सिद्धांत का विश्लेषण

अर्धचालक लेज़रों की संरचना और कार्य सिद्धांत का विश्लेषण।

गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) लेजर का उपयोग इंजेक्टेड होमोजंक्शन लेजर के कार्य सिद्धांत को प्रस्तुत करने के लिए एक उदाहरण के रूप में किया जाता है।

1. इंजेक्टेड होमोजंक्शन लेजर का दोलन सिद्धांत। चूंकि अर्धचालक पदार्थ में स्वयं एक विशेष क्रिस्टल संरचना और इलेक्ट्रॉनिक संरचना होती है, इसलिए लेजर तंत्र के गठन की अपनी विशिष्टता होती है।

(1) अर्धचालक की ऊर्जा बैंड संरचना। अर्धचालक पदार्थ ज्यादातर क्रिस्टल संरचना होते हैं। जब बड़ी संख्या में परमाणु एक क्रिस्टल में कसकर संयोजित होते हैं, तो क्रिस्टल में वैलेंस इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल ऊर्जा बैंड में होते हैं। ऊर्जा बैंड जिसमें वैलेंस इलेक्ट्रॉन स्थित होते हैं उसे वैलेंस बैंड कहा जाता है (जो कम ऊर्जा से मेल खाता है)। वैलेंस बैंड के सबसे नज़दीकी उच्च ऊर्जा बैंड को चालन बैंड कहा जाता है, और ऊर्जा बैंड के बीच खाली जगह को निषिद्ध बैंड कहा जाता है। जब एक बाहरी विद्युत क्षेत्र जोड़ा जाता है, तो वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में कूद जाते हैं, जहाँ वे स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं और बिजली का संचालन कर सकते हैं। इसी समय, वैलेंस बैंड में एक इलेक्ट्रॉन का खो जाना एक सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छेद के उभरने के बराबर है, बाहरी विद्युत क्षेत्र की भूमिका में यह छेद एक प्रवाहकीय भूमिका भी निभा सकता है। इसलिए, वैलेंस बैंड में छेद और इलेक्ट्रॉनों के चालन बैंड की एक प्रवाहकीय भूमिका होती है, जिसे सामूहिक रूप से वाहक कहा जाता है।

(2) डोप्ड सेमीकंडक्टर और pn जंक्शन। अशुद्धियों के बिना शुद्ध अर्धचालक, जिसे आंतरिक अर्धचालक के रूप में जाना जाता है। यदि आंतरिक अर्धचालक को अशुद्धता परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है, तो वैलेंस बैंड के नीचे और ऊपर चालन बैंड में क्रमशः अशुद्धता ऊर्जा स्तर बनते हैं, जिन्हें दाता ऊर्जा स्तर और मुख्य ऊर्जा स्तर के रूप में जाना जाता है।

प्रमुख ऊर्जा स्तर वाले अर्धचालकों को एन-प्रकार अर्धचालक कहा जाता है; प्रमुख ऊर्जा स्तर वाले अर्धचालकों को पी-प्रकार अर्धचालक कहा जाता है। कमरे के तापमान पर, गर्मी एन-प्रकार अर्धचालकों को बना सकती है, अधिकांश दाता परमाणु अलग हो जाते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉन चालन बैंड के लिए उत्तेजित होता है, मुक्त इलेक्ट्रॉन बन जाता है। पी-प्रकार अर्धचालकों के अधिकांश मेजबान परमाणु वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते हैं और वैलेंस बैंड में छेद बनाते हैं। इस प्रकार, एन-प्रकार अर्धचालक मुख्य रूप से चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों द्वारा संचालित होते हैं; पी-प्रकार अर्धचालक मुख्य रूप से वैलेंस बैंड में छिद्रों द्वारा संचालित होते हैं।

अर्धचालक लेज़रों में प्रयुक्त अर्धचालक पदार्थों में बड़ी डोपिंग सांद्रता होती है, जिसमें n-प्रकार की अशुद्धता परमाणु संख्या सामान्यतः (2-5) × 1018cm-1 होती है; p-प्रकार की अशुद्धता परमाणु संख्या (1-3) × 1019cm-1 होती है।

अर्धचालक पदार्थ के एक टुकड़े में, वह क्षेत्र जहाँ p-प्रकार क्षेत्र से n-प्रकार क्षेत्र में अचानक परिवर्तन होता है, उसे pn जंक्शन कहा जाता है। इसके इंटरफेस पर एक स्पेस चार्ज क्षेत्र बनेगा। n-प्रकार अर्धचालक बैंड में इलेक्ट्रॉनों को p-क्षेत्र में विसरित होना पड़ता है, जबकि p-प्रकार अर्धचालक वैलेंस बैंड में छिद्रों को n-क्षेत्र में विसरित होना पड़ता है। इस तरह, संरचना के पास n-प्रकार का क्षेत्र सकारात्मक रूप से चार्ज होता है क्योंकि यह दाता है, और जंक्शन के पास p-प्रकार का क्षेत्र नकारात्मक रूप से चार्ज होता है क्योंकि यह रिसीवर है। n-क्षेत्र से p-क्षेत्र की ओर इशारा करते हुए इंटरफेस पर एक विद्युत क्षेत्र बनता है, जिसे स्व-निर्मित विद्युत क्षेत्र कहा जाता है। यह विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के निरंतर प्रसार को रोकता है।

(3) पीएन जंक्शन विद्युत इंजेक्शन उत्तेजना तंत्र। यदि अर्धचालक पदार्थ में एक सकारात्मक पूर्वाग्रह वोल्टेज जोड़ा जाता है जहां एक पीएन जंक्शन बनता है, तो पी-क्षेत्र सकारात्मक ध्रुव से और एन-क्षेत्र नकारात्मक ध्रुव से जुड़ा होता है। जाहिर है, विद्युत क्षेत्र का सकारात्मक वोल्टेज और विपरीत दिशा में स्व-निर्मित विद्युत क्षेत्र के पीएन जंक्शन ने आंदोलन में बाधा में इलेक्ट्रॉनों के प्रसार में क्रिस्टल पर स्व-निर्मित विद्युत क्षेत्र को कमजोर कर दिया, ताकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों का एन क्षेत्र सकारात्मक वोल्टेज की भूमिका में हो, लेकिन जंक्शन क्षेत्र में पीएन जंक्शन के माध्यम से पी क्षेत्र में प्रसार की एक स्थिर धारा भी होती है, साथ ही साथ बड़ी संख्या में चालन बैंड इलेक्ट्रॉन और वैलेंस बैंड होते हैं जंक्शन क्षेत्र में एक ही समय में चालन बैंड में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन होते हैं और वैलेंस बैंड में छेद होता है, उन्हें एक समग्र उत्पादन करने के लिए क्षेत्र में इंजेक्ट किया जाएगा, यह अर्धचालक क्षेत्र चमक की क्रियाविधि है, इस स्वतःस्फूर्त यौगिक चमक को स्वतःस्फूर्त विकिरण कहते हैं।

लेजर प्रकाश का उत्पादन करने के लिए pn जंक्शन बनाने के लिए, कण व्युत्क्रम वितरण राज्य की संरचना के भीतर बनाया जाना चाहिए, भारी मात्रा में डोप किए गए अर्धचालक पदार्थों का उपयोग करने की आवश्यकता है, pn जंक्शन वर्तमान के इंजेक्शन की आवश्यकता काफी बड़ी है (जैसे 30,000A / cm2)। इस तरह, स्थानीय क्षेत्र के pn जंक्शन में, राज्य के वितरण के व्युत्क्रम के वैलेंस बैंड में छिद्रों की संख्या से अधिक इलेक्ट्रॉन में चालन बैंड का निर्माण किया जा सकता है, इस प्रकार उत्तेजित समग्र विकिरण और जारी लेजर प्रकाश उत्पन्न होता है।

2. सेमीकंडक्टर लेजर संरचना। इसका आकार और आकार और कम-शक्ति सेमीकंडक्टर ट्रांजिस्टर लगभग समान है, केवल शेल में एक से अधिक लेजर आउटपुट विंडो है। परतों से बने पी-क्षेत्र और एन-क्षेत्र के जंक्शन क्षेत्र के साथ क्लैंप किया गया, जंक्शन क्षेत्र दसियों माइक्रोमीटर मोटा है, क्षेत्र लगभग 1 मिमी 2 से कम है।

सेमीकंडक्टर लेजर ऑप्टिकल अनुनाद गुहा प्राकृतिक समाधान सतह (110 सतह) संरचना के लिए लंबवत पीएन जंक्शन विमान का उपयोग है, इसमें 35 की परावर्तकता है, लेजर दोलन का कारण बनने के लिए पर्याप्त है। यदि आपको परावर्तकता बढ़ाने की आवश्यकता है तो सिलिका की एक परत की क्रिस्टल सतह पर चढ़ाया जा सकता है, और फिर धातु चांदी की फिल्म की एक परत, आप 95% से अधिक परावर्तकता प्राप्त कर सकते हैं।

एक बार जब अर्धचालक लेजर को अग्र बायस वोल्टेज में जोड़ दिया जाता है, तो जंक्शन क्षेत्र में कणों की संख्या उलट जाएगी और मिश्रित हो जाएगी।