Laser diode

laserdioder spiller en vigtig rolle i vores hverdag. De er meget billige og små. Laserdioder er den mindste af alle de kendte lasere. Deres størrelse er en brøkdel af en millimeter.
laserdioder er også kendt som halvlederlasere, krydslasere, krydsdiodelasere eller injektionslasere. Før vi går ind i laserdioder, lad os først se på dioden selv.

Hvad er en p-n junction diode?

en p-n junction diode er en halvleder enhed, der tillader strømmen af strøm i kun en retning.

p-n-forbindelsesdioden er lavet af to typer halvledermaterialer, nemlig p-type og N-type halvleder. P-type halvleder er forbundet med N-type halvleder for at danne et p-n-kryds. Enheden, der er resultatet af sammenføjningen af en p-type og N-type halvleder kaldes en p-n junction diode.

p – n junction diode tillader elektrisk strøm i fremad bias tilstand, mens den blokerer elektrisk strøm i omvendt bias tilstand.

hvis batteriets positive terminal er forbundet til p-type halvleder, og batteriets negative terminal er forbundet til N-type halvleder, siges dioden at være forudindtaget.

når en fremadspændingsspænding påføres dioden, begynder frie elektroner at bevæge sig fra batteriets negative terminal til batteriets positive terminal på samme måde begynder huller at bevæge sig fra batteriets positive terminal til batteriets negative terminal.

på grund af disse strømme af ladningsbærere (frie elektroner og huller) genereres elektrisk strøm i p-n-forbindelsesdioden.

i almindelige p-n-forbindelsesdioder vil elektronerne, der bevæger sig fra n-type til p-type, rekombineres med hullerne i p-type halvleder eller kryds. Tilsvarende vil hullerne, der bevæger sig fra p-type til n-type, rekombineres med elektronerne i n-type halvleder eller kryds.

vi ved, at energiniveauet for frie elektroner i ledningsbåndet er højt sammenlignet med hullerne i valensbåndet. Derfor frigiver de frie elektroner deres ekstra energi (ikke-strålingsenergi), mens de rekombineres med hullerne.

Ilysemitterende dioder (LED ‘ er) eller laserdioder finder rekombinationen sted på en lignende måde. Imidlertid frigiver de frie elektroner i LED ‘ er eller laserdioder energi i form af lys, mens de rekombineres med hullerne.

Hvad er en laserdiode?

en laserdiode er en optoelektronisk enhed, der omdanner elektrisk energi til lysenergi for at producere sammenhængende lys med høj intensitet. I en laserdiode fungerer p-n-krydset mellem halvlederdioden som lasermediet eller det aktive medium.

laserdiodens arbejde svarer næsten til lysdioden (LED). Den største forskel mellem LED og laserdiode er, at LED ‘ en udsender usammenhængende lys, mens laserdioden udsender sammenhængende lys.

Laserdiodekonstruktion

laserdioden er lavet af to doterede galliumarsenidlag. Et doteret galliumarsenidlag vil producere en n-type halvleder, mens et andet doteret galliumarsenidlag vil producere en p-type halvleder. I laserdioder anvendes selen, aluminium og silicium som dopingmidler.

P-n-kryds

når et p-type lag er forbundet med N-type laget, dannes et p-n-kryds. Det punkt, hvor p-type og N-type lag er forbundet kaldes p-n junction. P-n-krydset adskiller halvlederne p-type og n-type.

til konstruktion af laserdioder vælges galliumarsenid frem for silicium. I siliciumdioder frigives energien under rekombination. Denne frigivelse af energi er imidlertid ikke i form af lys.

i galliumarseniddioder er frigivelsen af energi i form af lys eller fotoner. Derfor anvendes galliumarsenid til konstruktion af laserdioder.

N-type halvleder

tilføjelse af en lille procentdel af fremmede atomer i den iboende halvleder producerer en n-type eller p-type halvleder.

Ifpentavalente urenheder tilsættes til den indre eller rene halvleder, en n-type halvleder produceres. I n-type halvledere er frie elektroner de fleste ladningsbærere, mens huller er mindretalsbærere. Derfor bærer frie elektroner det meste af den elektriske strøm i halvledere af n-typen.

p-type halvleder

hvis der tilsættes trivalente urenheder til den rene halvleder, produceres en p-type halvleder. I halvledere af p-type er huller de fleste ladningsbærere, mens frie elektroner er mindretalsbærere. Derfor bærer huller det meste af den elektriske strøm i p-type halvledere.

hovedtrin, der kræves for at producere en sammenhængende lysstråle i laserdioder

de vigtigste trin, der kræves for at producere en sammenhængende lysstråle i laserdioder, er: lysabsorption, spontan emission og stimuleret emission.

Absorption af energi

Absorptionaf energi er processen med at absorbere energi fra de eksterne energikilder.

i laserdioder bruges elektrisk energi eller jævnspænding som den eksterne energikilde. Når DC-spændingen eller den elektriske energi leverer nok energi til valenselektronerne eller valensbåndelektronerne, bryder de binding med moderatomet og hopper ind i det højere energiniveau (ledningsbånd). Elektronerne i ledningsbåndet er kendt som frie elektroner.

når valenselektronen forlader valensskallen, oprettes et tomt rum på det punkt, hvorfra elektronen forlod. Dette tomme rum i valensskallen kaldes et hul.

således genereres både frie elektroner og huller som et par på grund af absorptionen af energi fra den eksterne DC-kilde.

spontan emission

Spontanemission er processen med at udsende lys eller fotoner naturligt, mens elektroner falder til den lavere energitilstand.

i laserdioder er valensbåndelektronerne eller valenselektronerne i den lavere energitilstand. Derfor er hullerne, der genereres efter valenselektronerne tilbage, også i den lavere energitilstand.

på den anden side er ledningsbåndets elektroner eller frie elektroner i højere energitilstand. I enkle ord har frie elektroner mere energi end huller.

de frie elektroner i ledningsbåndet skal miste deres ekstra energi for at rekombinere med hullerne i valensbåndet.

de frie elektroner i ledningsbåndet forbliver ikke i lang tid. Efter en kort periode rekombineres de frie elektroner med de lavere energihuller ved at frigive energi i form af fotoner.

stimuleret emission

stimuleret emission er den proces, hvormed ophidsede elektroner eller frie elektroner stimuleres til at falde i den lavere energitilstand ved at frigive energi i form af lys. Den stimulerede emission er en kunstig proces.

Instimuleret emission, de ophidsede elektroner eller frie elektroner behøver ikke vente på afslutningen af deres levetid. Før afslutningen af deres levetid vil hændelsen eller eksterne fotoner tvinge de frie elektroner til at rekombinere med hullerne. I stimuleret emission vil hver indfaldende foton generere to fotoner.

alle fotoner genereret på grund af den stimulerede emission vil bevæge sig i samme retning. Som følge heraf produceres en smal stråle af højintensiv laserlys.

hvordan laserdiode fungerer?

når jævnspænding påføres over laserdioden, bevæger de frie elektroner sig over krydsområdet fra n-type materiale til p-type materiale. I denne proces vil nogle elektroner direkte interagere med valenselektronerne og ophidser dem til det højere energiniveau, mens nogle andre elektroner vil rekombinere med hullerne i P-typen halvleder og frigiver energi i form af lys. Denne emissionsproces kaldes spontan emission.

de fotoner, der genereres på grund af spontan emission, vil rejse gennem krydset og stimulere de ophidsede elektroner (frie elektroner). Som følge heraf frigives flere fotoner. Denne proces med lys-eller fotonemission kaldes stimuleret emission. Det lys, der genereres på grund af stimuleret emission, bevæger sig parallelt med krydset.

de to ender af laserdiodestrukturen er optisk reflekterende. Den ene ende er fuldt reflekterende, mens den anden ende er delvist reflekterende. Den fuldt reflekterende ende reflekterer lyset fuldstændigt, mens den delvist reflekterende ende reflekterer det meste af lyset, men tillader en lille mængde lys.

lyset, der genereres i p-n-krydset, springer frem og tilbage (hundreder af gange) mellem de to reflekterende overflader. Som et resultat opnås en enorm optisk forstærkning.

det lys, der genereres på grund af den stimulerede emission, undslippes gennem den delvist reflekterende ende af laserdioden for at producere et smalt strålelaserlys.
alle fotoner genereret på grund af den stimulerede emission vil bevæge sig i samme retning. Derfor vil dette lys rejse til lange afstande uden at sprede sig i rummet.

fordele ved laserdioder

1. enkel konstruktion
2. Letvægt
3. meget billig
4. lille størrelse
5. meget pålidelig sammenlignet med andre typer lasere.
6. længere levetid
7. høj effektivitet
8. spejle er ikke påkrævet i halvlederlaserne.
9. lavt strømforbrug

ulemper ved laserdioder

1. ikke egnet til de applikationer, hvor der kræves høje kræfter.
2. halvlederlasere er meget afhængige af temperaturen.

anvendelser af laserdioder

1. laserdioder anvendes i laserpegere.
2. laserdioder anvendes i fiberoptisk kommunikation.
3. laserdioder bruges i stregkodelæsere.
4. laserdioder bruges til laserprint.
5. laserdioder bruges i laserscanning.
6. laserdioder anvendes i afstandsfindere.
7. laserdioder anvendes i laserabsorptionsspektrometri.

typer af dioder

de forskellige typer dioder er som følger:

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