Laserdiode

Laserdioden spielen in unserem Alltag eine wichtige Rolle. Sie sind sehr billig und klein. Laserdioden sind die kleinsten aller bekannten Laser. Ihre Größe beträgt einen Bruchteil eines Millimeters.
Laserdioden sind auch als Halbleiterlaser, Junction-Laser, Junction-Diodenlaser oder Injektionslaser bekannt. Bevor wir auf Laserdioden eingehen, schauen wir uns zuerst die Diode selbst an.

Was ist eine PN-Übergangsdiode?

Eine PN-Übergangsdiode ist ein Halbleiterbauelement, das den Stromfluss nur in eine Richtung ermöglicht.

Die p-n junction diode ist aus zwei arten von halbleiter materialien nämlich p-typ und n-typ semiconductor. Der p-Typ-Halbleiter ist mit dem n-Typ-Halbleiter verbunden, um einen pn-Übergang zu bilden. Die Vorrichtung, die aus der Verbindung eines p- und n-Halbleiters resultiert, wird als PN-Übergangsdiode bezeichnet.

Die PN-Übergangsdiode lässt elektrischen Strom im Vorwärtsvorspannungszustand zu, während sie elektrischen Strom im Rückwärtsvorspannungszustand blockiert.

Wenn der Pluspol der Batterie mit dem Halbleiter vom p-Typ und der Minuspol der Batterie mit dem Halbleiter vom n-Typ verbunden ist, wird die Diode als durchlassvorgespannt bezeichnet.

When vorwärts bias spannung ist angewendet, um die diode, freie elektronen starten moving von der negativen terminal der batterie, um die positive terminal der batterie ähnlich löcher starten moving von der positiven terminal der batterie, um die negative terminal der batterie.

Aufgrund dieses Ladungsträgerflusses (freie Elektronen und Löcher) wird in der PN-Übergangsdiode elektrischer Strom erzeugt.

In gewöhnlichen PN-Übergangsdioden werden die Elektronen, die sich vom n-Typ zum p-Typ bewegen, mit den Löchern im p-Typ-Halbleiter oder -übergang rekombiniert. In ähnlicher Weise werden die Löcher, die sich vom p-Typ zum n-Typ bewegen, mit den Elektronen im n-Typ-Halbleiter oder Übergang rekombiniert.

Wir wissen, dass das Energieniveau der freien Elektronen im Leitungsband im Vergleich zu den Löchern im Valenzband hoch ist. Daher geben die freien Elektronen ihre zusätzliche Energie (nicht strahlende Energie) frei, während sie sich mit den Löchern rekombinieren.

Indie Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden, die rekombination erfolgt in ähnlicher Weise. Die freien Elektronen in LEDs oder Laserdioden setzen jedoch Energie in Form von Licht frei, während sie sich mit den Löchern rekombinieren.

Was ist eine Laserdiode?

Eine Laserdiode ist ein optoelektronisches Bauelement, das elektrische Energie in Lichtenergie umwandelt, um kohärentes Licht hoher Intensität zu erzeugen. Bei einer Laserdiode wirkt der pn-Übergang der Halbleiterdiode als Lasermedium bzw. aktives Medium.

Die arbeits der laser diode ist fast ähnlich wie die licht emittierende diode (LED). Der Hauptunterschied zwischen LED und Laserdiode besteht darin, dass die LED inkohärentes Licht emittiert, während die Laserdiode kohärentes Licht emittiert.

Aufbau der Laserdiode

Die Laserdiode besteht aus zwei dotierten Galliumarsenidschichten. Eine dotierte Galliumarsenidschicht erzeugt einen Halbleiter vom n-Typ, während eine andere dotierte Galliumarsenidschicht einen Halbleiter vom p-Typ erzeugt. In Laserdioden werden Selen, Aluminium und Silizium als Dotierungsmittel verwendet.

P-N-Übergang

Wenn eine p-Schicht mit der n-Schicht verbunden wird, wird ein p-n-Übergang gebildet. Der Punkt, an dem die p-Typ- und n-Typ-Schichten verbunden sind, wird als p-n-Übergang bezeichnet. Der PN-Übergang trennt die p- und n-Halbleiter.

Für den Aufbau von Laserdioden wird Galliumarsenid gegenüber Silizium gewählt. In Siliziumdioden wird die Energie während der Rekombination freigesetzt. Diese Freisetzung von Energie erfolgt jedoch nicht in Form von Licht.

In Galliumarseniddioden erfolgt die Energiefreisetzung in Form von Licht oder Photonen. Daher wird Galliumarsenid für den Bau von Laserdioden verwendet.

Halbleiter vom N-Typ

Das Hinzufügen eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in den intrinsischen Halbleiter erzeugt einen Halbleiter vom n- oder p-Typ.

Wenn dem intrinsischen oder reinen Halbleiter pentavalente Verunreinigungen zugesetzt werden, wird ein Halbleiter vom n-Typ hergestellt. In Halbleitern vom n-Typ sind freie Elektronen die Majoritätsladungsträger, während Löcher die Minoritätsladungsträger sind. Daher tragen freie Elektronen den größten Teil des elektrischen Stroms in Halbleitern vom n-Typ.

Halbleiter vom P-Typ

Wenn dem reinen Halbleiter dreiwertige Verunreinigungen zugesetzt werden, wird ein Halbleiter vom p-Typ hergestellt. In Halbleitern vom p-Typ sind Löcher die Majoritätsladungsträger, während freie Elektronen die Minoritätsladungsträger sind. Daher tragen Löcher den größten Teil des elektrischen Stroms in Halbleitern vom p-Typ.

Hauptschritte zur Erzeugung eines kohärenten Lichtstrahls in Laserdioden

Die Hauptschritte zur Erzeugung eines kohärenten Lichtstrahls in Laserdioden sind: Lichtabsorption, spontane Emission und stimulierte Emission.

Absorption von Energie

Absorption von Energie ist der Prozess der Absorption von Energie aus den externen Energiequellen.

Bei Laserdioden wird elektrische Energie oder Gleichspannung als externe Energiequelle verwendet. Wenn die Gleichspannung oder elektrische Energie den Valenzelektronen oder Valenzbandelektronen genügend Energie zuführt, brechen sie die Bindung mit dem Elternatom und springen in das höhere Energieniveau (Leitungsband). Die Elektronen im Leitungsband werden als freie Elektronen bezeichnet.

Wenn das Valenzelektron die Valenzschale verlässt, entsteht an der Stelle, von der aus das Elektron austritt, ein leerer Raum. Dieser leere Raum in der Valenzschale wird als Loch bezeichnet.

Somit werden sowohl freie Elektronen als auch Löcher aufgrund der Absorption von Energie aus der externen Gleichstromquelle als Paar erzeugt.

Spontane Emission

Spontaneousemission ist der Prozess der natürlichen Emission von Licht oder Photonen, während Elektronen in den niedrigeren Energiezustand fallen.

In Laserdioden befinden sich die Valenzbandelektronen oder Valenzelektronen im niederenergetischen Zustand. Daher befinden sich die Löcher, die nach dem Verlassen der Valenzelektronen erzeugt werden, auch im Zustand niedrigerer Energie.

Andererseits befinden sich die Leitungsbandelektronen oder freien Elektronen im Zustand höherer Energie. In einfachen Worten, freie Elektronen haben mehr Energie als Löcher.

Die freien Elektronen im Leitungsband müssen ihre zusätzliche Energie verlieren, um sich mit den Löchern im Valenzband zu rekombinieren.

Die freien Elektronen im Leitungsband bleiben nicht für lange Zeit. Nach kurzer Zeit rekombinieren die freien Elektronen mit den Löchern mit niedrigerer Energie, indem sie Energie in Form von Photonen freisetzen.

Stimulierte Emission

Stimulierte Emission ist der Prozess, durch den angeregte Elektronen oder freie Elektronen angeregt werden, in den niedrigeren Energiezustand zu fallen, indem sie Energie in Form von Licht freisetzen. Die stimulierte Emission ist ein künstlicher Prozess.

Angeregte Emission müssen die angeregten Elektronen oder freien Elektronen nicht auf das Ende ihrer Lebensdauer warten. Vor dem Ende ihrer Lebensdauer zwingen die einfallenden oder externen Photonen die freien Elektronen, sich mit den Löchern zu rekombinieren. Bei stimulierter Emission erzeugt jedes einfallende Photon zwei Photonen.

Alle Photonen, die durch die stimulierte Emission erzeugt werden, bewegen sich in die gleiche Richtung. Als Ergebnis wird ein schmaler Strahl von hochintensivem Laserlicht erzeugt.

Wie laser diode funktioniert?

Wenn an die Laserdiode Gleichspannung angelegt wird, bewegen sich die freien Elektronen über den Übergangsbereich vom n-Material zum p-Material. In diesem Prozess interagieren einige Elektronen direkt mit den Valenzelektronen und erregen sie auf das höhere Energieniveau, während einige andere Elektronen mit den Löchern im p-Typ-Halbleiter rekombinieren und Energie in Form von Licht freisetzen. Dieser Prozess der Emission wird spontane Emission genannt.

Die durch spontane Emission erzeugten Photonen wandern durch den Übergangsbereich und stimulieren die angeregten Elektronen (freie Elektronen). Dadurch werden mehr Photonen freigesetzt. Dieser Prozess der Licht- oder Photonenemission wird als stimulierte Emission bezeichnet. Das durch stimulierte Emission erzeugte Licht bewegt sich parallel zur Kreuzung.

Die beiden Enden der Laserdiodenstruktur sind optisch reflektierend. Ein Ende ist vollständig reflektierend, während ein anderes Ende teilweise reflektierend ist. Das vollständig reflektierende Ende reflektiert das Licht vollständig, während das teilweise reflektierende Ende den größten Teil des Lichts reflektiert, aber eine kleine Lichtmenge zulässt.

Das im PN-Übergang erzeugte Licht springt (hunderte Male) zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen hin und her. Dadurch wird ein enormer optischer Gewinn erzielt.

Das durch die stimulierte Emission erzeugte Licht wird durch das teilweise reflektierende Ende der Laserdiode entweicht, um ein engstrahlendes Laserlicht zu erzeugen.
Alle Photonen, die aufgrund der stimulierten Emission erzeugt werden, bewegen sich in die gleiche Richtung. Daher wird dieses Licht lange Strecken zurücklegen, ohne sich im Raum auszubreiten.

Vorteile von laser dioden

1. Einfache konstruktion
2. Leichte
3. Sehr billig
4. Kleine größe
5. Sehr zuverlässige im vergleich zu anderen arten von laser.
6. Längere Lebensdauer
7. Hohe Effizienz
8. Spiegel sind in den Halbleiterlasern nicht erforderlich.
9. Geringer Stromverbrauch

Nachteile von Laserdioden

1. Nicht geeignet für Anwendungen, bei denen hohe Leistungen erforderlich sind.
2. Halbleiterlaser sind stark temperaturabhängig.

Anwendungen von Laserdioden

1. Laserdioden werden in Laserpointern verwendet.
2. Laserdioden werden in der Glasfaserkommunikation eingesetzt.
3. Laserdioden werden in Barcode-Lesegeräten eingesetzt.
4. Laserdioden werden im Laserdruck eingesetzt.
5. Beim Laserscanning werden Laserdioden eingesetzt.
6. Laserdioden werden in Entfernungsmessern eingesetzt.
7. Laserdioden werden in der Laserabsorptionsspektrometrie eingesetzt.

Arten von Dioden

Die verschiedenen arten von dioden sind wie folgt:

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