Laserová dioda

laserové diody hrají důležitou roli v našem každodenním životě. Jsou velmi levné a malé. Laserové diody jsou nejmenší ze všech známých laserů. Jejich velikost je zlomek milimetru.
laserové diody jsou také známé jako polovodičové lasery, spojovací lasery, spojovací diodové lasery nebo vstřikovací lasery. Než se pustíme do laserových diod, podívejme se nejprve na samotnou diodu.

co je p-n spojovací dioda?

p-n spojovací dioda je polovodičové zařízení, které umožňuje tok proudu pouze v jednom směru.

spojovací dioda p-n je vyrobena ze dvou typů polovodičových materiálů, jmenovitě polovodičů typu p A N. Polovodič typu p je spojen s polovodičem typu N A vytváří spojení p-n. Zařízení, které je výsledkem spojení polovodiče typu p A N, se nazývá p-n spojovací dioda.

p-n spojovací dioda umožňuje elektrický proud ve stavu předpětí, zatímco blokuje elektrický proud ve stavu zpětného předpětí.

pokud je kladná svorka baterie připojena k polovodiči typu p a záporná svorka baterie je připojena k polovodiči typu n, říká se, že dioda je dopředu zkreslená.

když je na diodu přivedeno předpětí vpřed, volné elektrony se začnou pohybovat od záporného pólu baterie k kladnému pólu baterie podobně otvory se začnou pohybovat od kladného pólu baterie k zápornému pólu baterie.

kvůli těmto proudům nosičů náboje (volné elektrony a díry) je v p-n spojovací diodě generován elektrický proud.

v běžných p-n spojovacích diodách se elektrony pohybující se z typu n na typ p rekombinují s otvory v polovodiči nebo křižovatce typu p. Podobně, otvory pohybující se z typu p na typ n se rekombinují s elektrony v polovodiči nebo křižovatce typu n.

víme, že energetická hladina volných elektronů ve vodivém pásmu je vysoká ve srovnání s otvory ve valenčním pásmu. Volné elektrony proto uvolní svou extra energii (neradiativní energii), zatímco se rekombinují s otvory.

v roce 2006světelné diody (LED) nebo laserové diody, rekombinace probíhá podobným způsobem. Volné elektrony v LED nebo laserových diodách však uvolňují energii ve formě světla při rekombinaci s otvory.

co je to laserová dioda?

laserová dioda je optoelektronické zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na světelnou energii a vytváří koherentní světlo s vysokou intenzitou. V laserové diodě působí p-n spojení polovodičové diody jako laserové médium nebo aktivní médium.

práce laserové diody je téměř podobná světelné diodě (LED). Hlavní rozdíl mezi LED a laserovou diodou spočívá v tom, že LED emituje nesouvislé světlo, zatímco laserová dioda emituje koherentní světlo.

konstrukce laserové diody

laserová dioda je vyrobena ze dvou dopovaných vrstev arsenidu Galia. Jedna dopovaná vrstva arsenidu Galia vytvoří polovodič typu n, zatímco další dopovaná vrstva arsenidu Galia vytvoří polovodič typu p. V laserových diodách se jako dopingová činidla používají selen, hliník a křemík.

p-n spojení

když je vrstva typu p spojena s vrstvou typu n, vytvoří se p-n spojení. Bod, ve kterém jsou vrstvy typu p A n spojeny, se nazývá p-n křižovatka. Spojení p-n odděluje polovodiče typu p A n.

pro konstrukci laserových diod se volí arsenid Galia nad křemíkem. V křemíkových diodách se energie uvolňuje během rekombinace. Toto uvolnění energie však není ve formě světla.

v diodách arsenidu Galia je uvolňování energie ve formě světla nebo fotonů. Proto se arsenid Gallia používá pro konstrukci laserových diod.

polovodič typu N

přidáním malého procenta cizích atomů do vnitřního polovodiče vzniká polovodič typu n nebo P.

Pokudpentavalentní nečistoty se přidávají do vnitřního nebo čistého polovodiče, vyrábí se polovodič typu n. V polovodičích typu n jsou volné elektrony většinovými nosiči náboje, zatímco díry jsou menšinovými nosiči náboje. Volné elektrony proto nesou většinu elektrického proudu v polovodičích typu n.

polovodič typu P

pokud se do čistého polovodiče přidají trojmocné nečistoty, vytvoří se polovodič typu p. V polovodičích typu p jsou díry většinovými nosiči náboje, zatímco volné elektrony jsou menšinovými nosiči náboje. Proto otvory nesou většinu elektrického proudu v polovodičích typu p.

hlavní kroky potřebné pro výrobu koherentního paprsku světla v laserových diodách

hlavní kroky potřebné pro výrobu koherentního paprsku světla v laserových diodách jsou: absorpce světla, spontánní emise a stimulovaná emise.

absorpce energie

absorpce energie je proces absorpce energie z vnějších zdrojů energie.

v laserových diodách se jako externí zdroj energie používá elektrická energie nebo stejnosměrné napětí. Když stejnosměrné napětí nebo elektrická energie dodává dostatek energie valenčním elektronům nebo elektronům valenčního pásma, přerušují vazbu s mateřským atomem a skočí do vyšší energetické úrovně (vodivé pásmo). Elektrony ve vodivém pásmu jsou známé jako volné elektrony.

když valenční elektron opouští valenční skořápku, vytvoří se prázdný prostor v místě, ze kterého elektron odešel. Tento prázdný prostor ve valenční skořápce se nazývá díra.

volné elektrony i díry jsou tedy generovány jako pár kvůli absorpci energie z vnějšího stejnosměrného zdroje.

spontánní emise

Spontánníemise je proces vyzařování světla nebo fotonů přirozeně, zatímco elektrony klesají do nižšího energetického stavu.

v laserových diodách jsou elektrony valenčního pásma nebo valenční elektrony v nižším energetickém stavu. Proto jsou otvory generované po zbývajících valenčních elektronech také v nižším energetickém stavu.

na druhé straně jsou elektrony vodivého pásma nebo volné elektrony ve vyšším energetickém stavu. Jednoduše řečeno, volné elektrony mají více energie než díry.

volné elektrony ve vodivém pásmu musí ztratit svou extra energii, aby se rekombinovaly s otvory ve valenčním pásmu.

volné elektrony ve vodivém pásmu nezůstanou po dlouhou dobu. Po krátké době se volné elektrony rekombinují s nižšími energetickými otvory uvolněním energie ve formě fotonů.

stimulovaná emise

Stimulatedemise je proces, kterým jsou excitované elektrony nebo volné elektrony stimulovány k pádu do nižšího energetického stavu uvolňováním energie ve formě světla. Stimulovaná emise je umělý proces.

stimulovaná emise, excitované elektrony nebo volné elektrony nemusí čekat na dokončení své životnosti. Před dokončením jejich životnosti budou dopadající nebo vnější fotony nutit volné elektrony k rekombinaci s otvory. Při stimulované emisi vytvoří každý dopadající foton dva fotony.

všechny fotony generované v důsledku stimulované emise budou cestovat stejným směrem. Výsledkem je úzký paprsek laserového světla s vysokou intenzitou.

jak funguje laserová dioda?

když je stejnosměrné napětí aplikováno přes laserovou diodu, volné elektrony se pohybují napříč spojovací oblastí od materiálu typu n k materiálu typu p. V tomto procesu, některé elektrony přímo interagují s valenčními elektrony a vzrušují je na vyšší energetickou úroveň, zatímco některé další elektrony se rekombinují s otvory v polovodiči typu p a uvolňují energii ve formě světla. Tento proces emise se nazývá spontánní emise.

fotony generované v důsledku spontánní emise budou cestovat spojovací oblastí a stimulovat excitované elektrony (volné elektrony). Výsledkem je uvolnění více fotonů. Tento proces emise světla nebo fotonů se nazývá stimulovaná emise. Světlo generované v důsledku stimulované emise se bude pohybovat rovnoběžně s křižovatkou.

oba konce struktury laserové diody jsou opticky reflexní. Jeden konec je plně reflexní, zatímco druhý konec je částečně reflexní. Plně reflexní konec bude odrážet světlo úplně, zatímco částečně reflexní konec bude odrážet většinu světla, ale umožňuje malé množství světla.

světlo generované v křižovatce p-n se bude odrážet tam a zpět (stokrát) mezi dvěma reflexními plochami. Výsledkem je obrovský optický zisk.

světlo generované v důsledku stimulované emise uniká částečně reflexním koncem laserové diody za vzniku laserového světla s úzkým paprskem.
všechny fotony generované v důsledku stimulované emise budou cestovat stejným směrem. Proto bude toto světlo cestovat na velké vzdálenosti, aniž by se šířilo v prostoru.

výhody laserových diod

1. jednoduchá konstrukce
2. lehká
3. velmi levná
4. Malá velikost
5. vysoce spolehlivá ve srovnání s jinými typy laserů.
6. delší životnost
7. vysoká účinnost
8. zrcadla se u polovodičových laserů nevyžadují.
9. Nízká spotřeba energie

nevýhody laserových diod

1. není vhodný pro aplikace, kde je vyžadován vysoký výkon.
2. Polovodičelasery jsou vysoce závislé na teplotě.

aplikace laserových diod

1. laserové diody se používají v laserových ukazovátkách.
2. laserové diody se používají v optických komunikacích.
3. laserové diody se používají v čtečkách čárových kódů.
4. laserové diody se používají v laserovém tisku.
5. laserové diody se používají při laserovém skenování.
6. laserové diody se používají ve vyhledávačích rozsahu.
7. laserové diody se používají v laserové absorpční spektrometrii.

typy diod

různé typy diod jsou následující:

1. Zener diode
2. Avalanche diode
3. Photodiode
4. Light Emitting Diode
5. Laser diode
6. Tunnel diode
7. Schottky diode
8. Varactor diode
9. P-N junction diode