laserdiodi

Laserdiodeilla on tärkeä rooli jokapäiväisessä elämässämme. Ne ovat hyvin halpoja ja pieniä. Laserdiodit ovat kaikista tunnetuista lasereista pienimpiä. Niiden koko on millimetrin murto-osa.
Laserdiodeja kutsutaan myös puolijohdelasereiksi, liitosdiodilasereiksi, liitosdiodilasereiksi tai ruiskutuslasereiksi. Ennen kuin siirrymme laser diodit, olkaamme ensin tarkastella diodi itse.

mikä on P-n-liitosdiodi?

p-n-liitosdiodi on puolijohdekomponentti, joka mahdollistaa virran virtauksen vain yhteen suuntaan.

P-n-liitosdiodi on valmistettu kahdentyyppisistä puolijohdemateriaaleista, jotka ovat p-tyyppi ja n-tyyppinen puolijohde. P-tyypin puolijohde yhdistetään n-tyypin puolijohteeseen muodostaen P-n-liitoksen. P-tyypin ja n-tyypin puolijohteiden yhdistämisestä syntyvää laitetta kutsutaan P-n-liitosdiodiksi.

P-n liitosdiodi sallii sähkövirran eteenpäin suuntautuvassa bias-tilassa, kun taas se estää sähkövirran käänteisessä bias-tilassa.

jos akun positiivinen pääte on kytketty p-tyypin puolijohteeseen ja akun negatiivinen pääte on kytketty n-tyypin puolijohteeseen, diodin sanotaan olevan eteenpäin puolueellinen.

kun diodiin kohdistetaan eteenpäin suuntautuvaa bias-jännitettä, vapaat elektronit alkavat liikkua akun negatiivisesta päätepisteestä akun positiiviseen päätepisteeseen samoin reiät alkavat liikkua akun positiivisesta päätepisteestä akun negatiiviseen päätepisteeseen.

näiden varauksenkantajien (vapaat elektronit ja reiät) virtauksen vuoksi P-n-liitosdiodiin syntyy sähkövirtaa.

tavallisissa p-n-liitosdiodeissa n-tyypistä p-tyyppiin siirtyvät elektronit rekombinoituvat p-tyypin puolijohteessa tai liitoksessa olevien reikien kanssa. Vastaavasti p-tyypin ja n-tyypin välillä liikkuvat reiät rekombinoituvat n-tyypin puolijohteessa tai liitoksessa olevien elektronien kanssa.

tiedämme, että johtuvuuskaistan vapaiden elektronien energiataso on korkea verrattuna valenssikaistan reikiin. Näin ollen vapaat elektronit vapauttavat ylimääräisen energiansa (ei-säteilyenergian) rekombinoidessaan reikien kanssa.

valodiodeilla (LEDit) tai laserdiodeilla rekombinaatio tapahtuu samalla tavalla. LED – tai laserdiodien vapaat elektronit kuitenkin vapauttavat energiaa valon muodossa rekombinoidessaan reikien kanssa.

mikä on laserdiodi?

laserdiodi on optoelektroninen laite, joka muuntaa sähköenergian valoenergiaksi tuottaakseen korkean intensiteetin koherenttia valoa. Laserdiodissa puolijohdediodin P-n-liitos toimii laserväliaineena tai aktiivisena väliaineena.

laserdiodin toiminta on lähes samanlaista kuin valodiodilla (LED). Suurin ero ledin ja laserdiodin välillä on se, että LED säteilee epäyhtenäistä valoa, kun taas laserdiodi säteilee koherenttia valoa.

laserdiodin rakenne

laserdiodi koostuu kahdesta seostetusta galliumarsenidikerroksesta. Yksi seostettu galliumarsenidikerros tuottaa n-tyypin puolijohdetta, kun taas toinen seostettu galliumarsenidikerros tuottaa p-tyypin puolijohdetta. Laserdiodeissa dopingaineina käytetään seleeniä, alumiinia ja piitä.

P-N liitos

kun p-tyypin kerros yhdistyy n-tyypin kerroksen kanssa, muodostuu P-n liitos. Kohtaa, jossa p-tyypin ja n-tyypin kerrokset ovat yhtyneet, kutsutaan P-n-liitokseksi. P-n-liitos erottaa toisistaan p-tyypin ja n-tyypin puolijohteet.

laserdiodien rakentamisessa piin sijasta valitaan galliumarsenidi. Piidiodeissa energia vapautuu rekombinaation aikana. Tämä energian vapautuminen ei kuitenkaan tapahdu valon muodossa.

galliumarsenididiodeissa energian vapautuminen tapahtuu valon tai fotonien muodossa. Siksi galliumarsenidia käytetään laserdiodien rakentamiseen.

N-tyyppinen puolijohde

lisäämällä pieni määrä vieraita atomeja luontaiseen puolijohteeseen saadaan aikaan n-tai p-tyyppinen puolijohde.

jos luontaiseen tai puhtaaseen puolijohteeseen lisätään Pentavalentteja epäpuhtauksia, syntyy n-tyyppinen puolijohde. N-tyypin puolijohteissa vapaat elektronit ovat enemmistövarauksen kantajia, kun taas reiät ovat vähemmistövarauksen kantajia. Siksi vapaat elektronit kuljettavat suurimman osan sähkövirrasta n-tyypin puolijohteissa.

P-tyyppinen puolijohde

jos puhtaaseen puolijohteeseen lisätään kolmiarvoisia epäpuhtauksia, syntyy p-tyyppinen puolijohde. P-tyypin puolijohteissa reiät ovat enemmistövarauksen kantajia, kun taas vapaat elektronit ovat vähemmistövarauksen kantajia. Siksi reiät kuljettavat suurimman osan sähkövirrasta p-tyypin puolijohteissa.

koherentin valonsäteen tuottaminen laserdiodeissa

tärkeimmät vaiheet koherentin valonsäteen tuottamiseksi laserdiodeissa ovat: valon absorptio, spontaani emissio ja stimuloitu emissio.

energian absorptio

energian absorptio on prosessi, jossa energiaa absorboidaan ulkoisista energialähteistä.

laserdiodeissa ulkoisena energianlähteenä käytetään sähköenergiaa tai tasajännitettä. Kun tasajännite tai sähköenergia antaa tarpeeksi energiaa valenssielektroneille tai valenssikaistan elektroneille, ne rikkovat sitoutumisen lähtöatomin kanssa ja hyppäävät korkeammalle energiatasolle (johtuvuuskaistalle). Johtuvuuskaistan elektroneja kutsutaan vapaiksi elektroneiksi.

kun valenssielektroni poistuu valenssikuoresta, syntyy tyhjä tila kohtaan, josta elektroni lähti. Valenssikuoren tyhjää tilaa kutsutaan aukoksi.

näin sekä vapaat elektronit että reiät syntyvät parina ulkoisesta TASAVIRTALÄHTEESTÄ tulevan energian absorption vuoksi.

spontaani emissio

spontaani emissio on prosessi, jossa valo tai fotonit emittoituvat luonnollisesti elektronien pudotessa alempaan energiatilaan.

laserdiodeissa valenssielektronit eli valenssielektronit ovat alempienergiaisessa tilassa. Näin ollen myös jäljelle jääneiden valenssielektronien jälkeen syntyvät aukot ovat alemman energian tilassa.

toisaalta johtuvuuskaistan elektronit tai vapaat elektronit ovat korkeamman energian tilassa. Yksinkertaisilla sanoilla vapailla elektroneilla on enemmän energiaa kuin aukoilla.

johtuvuuskaistan vapaiden elektronien on menetettävä ylimääräinen energiansa voidakseen rekombinoitua valenssikaistan reikien kanssa.

johtokaistan vapaat elektronit eivät pysy pitkään. Lyhyen ajan kuluttua vapaat elektronit rekombinoituvat alempien energia-aukkojen kanssa vapauttamalla energiaa fotonien muodossa.

stimuloitu emissio

stimuloitu emissio on prosessi, jossa viritetyt elektronit tai vapaat elektronit stimuloidaan putoamaan alempaan energiatilaan vapauttamalla energiaa valon muodossa. Stimuloitu emissio on keinotekoinen prosessi.

viritetty emissio, viritetyt elektronit tai vapaat elektronit eivät joudu odottamaan käyttöikänsä päättymistä. Ennen käyttöikänsä päättymistä tapahtuma tai ulkoiset fotonit pakottavat vapaat elektronit rekombinoitumaan reikien kanssa. Stimuloidussa emissiossa jokainen tapahtuma fotoni tuottaa kaksi fotonia.

kaikki stimuloidun emission seurauksena syntyvät fotonit kulkevat samaan suuntaan. Tämän seurauksena syntyy kapea säde suuritehoista laservaloa.

miten laserdiodi toimii?

kun LASERDIODIIN levitetään tasajännitettä, vapaat elektronit liikkuvat liitosalueen poikki n-tyypin materiaalista p-tyypin materiaaliin. Tässä prosessissa jotkut elektronit vuorovaikuttavat suoraan valenssielektronien kanssa ja kiihottavat niitä korkeammalle energiatasolle, kun taas jotkut muut elektronit rekombinoituvat p-tyypin puolijohteessa olevien aukkojen kanssa ja vapauttavat energiaa valon muodossa. Tätä päästöprosessia kutsutaan spontaaniksi emissioksi.

spontaanista emissiosta syntyvät fotonit kulkevat liitosalueen läpi ja stimuloivat jännittyneitä elektroneja (vapaita elektroneja). Tämän seurauksena fotoneja vapautuu lisää. Tätä valon tai fotonien emissiota kutsutaan stimuloiduksi emissioksi. Stimuloidun emission aiheuttama valo liikkuu yhdensuuntaisesti risteyksen kanssa.

laserdiodirakenteen kaksi päätä ovat optisesti heijastavia. Toinen pää on täysin heijastava, kun taas toinen pää on osittain heijastava. Täysin heijastava Pää heijastaa valon kokonaan, kun taas osittain heijastava Pää heijastaa suurimman osan valosta, mutta sallii pienen määrän valoa.

P-n-liitoksessa syntyvä valo kimpoaa edestakaisin (satoja kertoja) kahden heijastavan pinnan välillä. Tämän seurauksena saavutetaan valtava optinen hyöty.

stimuloidun emission aiheuttama valo karkaa laserdiodin osittain heijastavan pään läpi, jolloin syntyy kapea sädelaservalo.
kaikki stimuloidun emission seurauksena syntyvät fotonit kulkevat samaan suuntaan. Siksi tämä valo kulkee pitkiä matkoja levittämättä tilassa.

Laserdiodien edut

1. yksinkertainen rakenne
2. Kevyt
3. erittäin halpa
4. pieni koko
5. erittäin luotettava verrattuna muihin laserityyppeihin.
6. pidempi käyttöikä
7. korkea hyötysuhde
8. Puolijohdelasereissa ei tarvita peilejä.
9. pieni virrankulutus

Laserdiodien haitat

1. eivät sovellu sovelluksiin, joissa vaaditaan suuria tehoja.
2. puolijohteet ovat hyvin riippuvaisia lämpötilasta.

Laserosoittimissa käytetään Laserdiodeja

1. .
2. laserdiodeja käytetään valokuituyhteyksissä.
3. laserdiodeja käytetään viivakoodinlukijoissa.
4. Laserdiodeja käytetään lasertulostuksessa.
5. Laserdiodeja käytetään laserkeilauksessa.
6. laserdiodeja käytetään etäisyysmittareissa.
7. Laserdiodeja käytetään laserabsorptiospektrometriassa.

tyypit diodit

eri diodit ovat seuraavat:

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