elektronikai eszközök és áramkörök >> félvezető diódák >> lézerdióda
a lézerdiódák fontos szerepet játszanak mindennapi életünkben. Nagyon olcsók és kicsik. A lézerdiódák az összes ismert lézer közül a legkisebbek. Méretük egy milliméter töredéke.
a Lézerdiódákat félvezető lézereknek, csatlakozási lézereknek, csatlakozási dióda lézereknek vagy injekciós lézereknek is nevezik. Mielőtt belevágnánk a lézerdiódákba, nézzük meg először magát a diódát.
mi az a p-n csatlakozó dióda?
a p-n csatlakozódióda egy félvezető eszköz, amely lehetővé teszi az áram áramlását csak egy irányban.
a p-n csatlakozódióda kétféle félvezető anyagból készül, nevezetesen p-típusú és n-típusú félvezetőből. A p-típusú félvezető csatlakozik az n – típusú félvezetőhöz, hogy p-n csomópontot képezzen. A p-típusú és n-típusú félvezető összekapcsolásából származó eszközt p-n csatlakozási diódának nevezzük.
a p-n csomópont dióda lehetővé teszi az elektromos áramot előre torzító állapotban, míg az elektromos áramot fordított torzító állapotban blokkolja.
ha az akkumulátor pozitív kivezetése a p típusú félvezetőhöz van csatlakoztatva, az akkumulátor negatív kivezetése pedig az n típusú félvezetőhöz van csatlakoztatva, akkor a diódát előre előfeszítettnek kell tekinteni.
Whena előfeszítő feszültséget alkalmaznak a diódára, a szabad elektronok elkezdenek mozogni az akkumulátor negatív kivezetéséről az akkumulátor pozitív kivezetésére hasonlóan a lyukak elkezdenek mozogni az akkumulátor pozitív kivezetéséről az akkumulátor negatív kivezetésére.
a töltéshordozók (szabad elektronok és lyukak) ezen áramlása miatt elektromos áram keletkezik a p-n csatlakozási diódában.
a szokásos p-n csatlakozási diódákban az n-típusról p-típusra mozgó elektronok rekombinálódnak a P-típusú félvezető vagy csomópont lyukaival. Hasonlóképpen, a P-típusról n-típusra mozgó lyukak rekombinálódnak az N-típusú félvezetőben vagy csomópontban lévő elektronokkal.
tudjuk, hogy a szabad elektronok energiaszintje a vezetősávban magas a vegyértéksáv lyukaihoz képest. Ezért a szabad elektronok felszabadítják extra energiájukat (nem sugárzó energia), miközben rekombinálódnak a lyukakkal.
a fénykibocsátó diódákban (LED-ek) vagy lézerdiódákban a rekombináció hasonló módon történik. A LED-ekben vagy a lézerdiódákban lévő szabad elektronok azonban fény formájában bocsátanak ki energiát, miközben rekombinálódnak a lyukakkal.
mi a lézerdióda?
a lézerdióda egy optoelektronikus eszköz, amely az elektromos energiát fényenergiává alakítja, hogy nagy intenzitású koherens fényt állítson elő. Lézerdiódában a félvezető dióda p-n csomópontja lézerközegként vagy aktív közegként működik.
a lézerdióda működése szinte hasonló a fénykibocsátó diódához (LED). A LED és a lézerdióda közötti fő különbség az, hogy a LED inkoherens fényt bocsát ki, míg a lézerdióda koherens fényt bocsát ki.
lézerdióda felépítése
a lézerdióda két adalékolt gallium-arzenid rétegből készül. Az egyik adalékolt gallium-arzenid réteg n típusú félvezetőt fog előállítani, míg egy másik adalékolt gallium-arzenid réteg p típusú félvezetőt fog előállítani. A lézerdiódákban szelént, alumíniumot, szilíciumot használnak doppingszerként.
P-N csomópont
amikor egy p-típusú réteg csatlakozik az n-típusú réteghez, p-n csomópont jön létre. Azt a pontot, ahol a p-típusú és az n-típusú rétegek össze vannak kötve, p-n csomópontnak nevezzük. A p-n csomópont elválasztja a p-típusú és az n-típusú félvezetőket.
lézerdiódák építéséhez a gallium-arzenidet választják a szilícium helyett. A Szilícium diódákban az energia felszabadul a rekombináció során. Ez az energia felszabadulása azonban nem fény formájában történik.
a gallium-arzenid diódákban az energia felszabadulása fény vagy foton formájában történik. Ezért a gallium-arzenidet lézerdiódák építésére használják.
N típusú félvezető
idegen atomok kis százalékának hozzáadása a belső félvezetőbe n típusú vagy p típusú félvezetőt eredményez.
Hapentavalens szennyeződéseket adnak a belső vagy tiszta félvezetőhöz, n típusú félvezetőt állítanak elő. Az n típusú félvezetőkben a szabad elektronok a többségi töltéshordozók, míg a lyukak a kisebbségi töltéshordozók. Ezért a szabad elektronok az elektromos áram nagy részét n típusú félvezetőkben hordozzák.
P-típusú félvezető
ha háromértékű szennyeződéseket adunk a tiszta félvezetőhöz, p-típusú félvezető keletkezik. A p-típusú félvezetőkben a lyukak a többségi töltéshordozók, míg a szabad elektronok a kisebbségi töltéshordozók. Ezért a lyukak a P-típusú félvezetőkben az elektromos áram nagy részét hordozzák.
lézerdiódákban koherens fénysugár előállításához szükséges fő lépések a lézerdiódákban a koherens fénysugár előállításához szükséges fő lépések a következők: fényelnyelés, spontán emisszió és stimulált emisszió.
Energiaabszorpció
az energiaabszorpció a külső energiaforrásokból származó energia elnyelésének folyamata.
a lézerdiódákban elektromos energiát vagy egyenfeszültséget használnak külső energiaforrásként. Amikor az egyenfeszültség vagy az elektromos energia elegendő energiát szolgáltat a vegyértékelektronokhoz vagy a vegyértékszalag elektronjaihoz, megszakítják a kötést a szülőatommal, és a magasabb energiaszintre ugrik (vezetési sáv). A vezetési sávban lévő elektronokat szabad elektronoknak nevezzük.
amikor a vegyértékelektron elhagyja a vegyértékhéjat, üres tér jön létre azon a ponton, ahonnan az elektron távozott. Ezt az üres helyet a Valencia héjában lyuknak nevezzük.
így mind a szabad elektronok, mind a lyukak párként keletkeznek a külső egyenáramú forrásból származó energia abszorpciója miatt.
spontán emisszió
a spontán emisszió a fény vagy fotonok természetes kibocsátásának folyamata, miközben az elektronok alacsonyabb energiaállapotba esnek.
lézerdiódákban a vegyértéksáv elektronok vagy vegyérték elektronok alacsonyabb energiaállapotban vannak. Ezért a megmaradt vegyértékelektronok után keletkező lyukak szintén alacsonyabb energiaállapotban vannak.
másrészt a vezetési sáv elektronjai vagy a szabad elektronok magasabb energiaállapotban vannak. Egyszerű szavakkal, a szabad elektronok több energiával rendelkeznek, mint a lyukak.
a vezetési sávban lévő szabad elektronoknak el kell veszíteniük extra energiájukat ahhoz, hogy rekombinálódjanak a vegyértéksávban lévő lyukakkal.
a vezető sávban lévő szabad elektronok nem maradnak hosszú ideig. Rövid idő elteltével a szabad elektronok rekombinálódnak az alacsonyabb energiájú lyukakkal azáltal, hogy energiát szabadítanak fel fotonok formájában.
stimulált emisszió
Stimuláltemisszió az a folyamat, amelynek során a gerjesztett elektronokat vagy szabad elektronokat stimulálják, hogy alacsonyabb energiaállapotba essenek azáltal, hogy energiát szabadítanak fel fény formájában. A stimulált emisszió mesterséges folyamat.
stimulált emisszió, a gerjesztett elektronoknak vagy a szabad elektronoknak nem kell megvárniuk életük befejezését. Életük befejezése előtt az incidens vagy a külső fotonok arra kényszerítik a szabad elektronokat, hogy rekombinálódjanak a lyukakkal. A stimulált emisszió során minden beeső foton két fotont generál.
a stimulált emisszió miatt keletkező összes foton ugyanabba az irányba halad. Az eredmény egy keskeny, nagy intenzitású lézerfény.
hogyan működik a lézerdióda?
amikor DC feszültséget alkalmaznak a lézerdiódán, a szabad elektronok az N-típusú anyagtól a p-típusú anyagig mozognak a csomóponton. Ebben a folyamatban néhány elektron közvetlenül kölcsönhatásba lép a vegyértékelektronokkal, és magasabb energiaszintre gerjeszti őket, míg más elektronok rekombinálódnak a P-típusú félvezető lyukaival, és fény formájában energiát szabadítanak fel. Ezt az emissziós folyamatot spontán emissziónak nevezzük.
a spontán emisszió következtében keletkező fotonok áthaladnak a csomóponton, és stimulálják a gerjesztett elektronokat (szabad elektronokat). Ennek eredményeként több foton szabadul fel. Ezt a fény-vagy fotonkibocsátási folyamatot stimulált emissziónak nevezzük. A stimulált emisszió miatt keletkező fény párhuzamosan mozog a csomóponttal.
a lézerdióda szerkezetének két vége optikailag fényvisszaverő. Az egyik vége teljesen fényvisszaverő, míg a másik vége részben fényvisszaverő. A teljesen fényvisszaverő vég teljesen tükrözi a fényt, míg a részben fényvisszaverő vég a fény nagy részét tükrözi, de kis mennyiségű fényt enged meg.
a p-n csomópontban keletkező fény oda-vissza (több százszor) ugrál a két fényvisszaverő felület között. Ennek eredményeként hatalmas optikai nyereség érhető el.
a stimulált emisszió miatt keletkező fény a lézerdióda részben fényvisszaverő végén keresztül távozik, hogy keskeny sugárú lézerfényt hozzon létre.
a stimulált emisszió miatt keletkező összes foton ugyanabba az irányba halad. Ezért ez a fény nagy távolságokra fog utazni anélkül, hogy elterjedne a térben.
előnyei lézerdiódák
- egyszerű konstrukció
- könnyű
- nagyon olcsó
- kis méret
- rendkívül megbízható, mint más típusú lézerek.
- hosszabb élettartam
- nagy hatékonyságú
- tükrök nem szükségesek a félvezető lézerekben.
- alacsony energiafogyasztás
a lézerdiódák hátrányai
- nem alkalmasak olyan alkalmazásokhoz, ahol nagy teljesítményre van szükség.
- a Félvezetőlézerek nagymértékben függenek a hőmérséklettől.
Alkalmazások lézerdiódák
- Lézerdiódákat használnak lézermutatókban.
- Lézerdiódákat használnak száloptikai kommunikációban.
- Lézerdiódákat használnak vonalkódolvasókban.
- Lézerdiódákat használnak a lézernyomtatáshoz.
- Lézerdiódákat használnak a lézerszkennelésben.
- Lézerdiódákat használnak a tartománykeresőkben.
- Lézerdiódákat használnak a lézeres abszorpciós spektrometriában.
típusú diódák
a különböző típusú diódák a következők:
- Zener diode
- Avalanche diode
- Photodiode
- Light Emitting Diode
- Laser diode
- Tunnel diode
- Schottky diode
- Varactor diode
- P-N junction diode