レーザーダイオード

レーザダイオードは、私たちの日常生活において重要な役割を果たしています。 彼らは非常に安くて小さいです。 レーザーダイオードは、既知のすべてのレーザーの中で最も小さいものです。 それらのサイズはミリメートルの割合です。
レーザダイオードは、半導体レーザ、接合レーザ、接合ダイオードレーザまたは注入レーザとしても知られている。 レーザダイオードに入る前に、私達をダイオード自体を最初に見てみましょう。

p-n接合ダイオードとは何ですか？

p-n接合ダイオードは、一方向のみの電流の流れを可能にする半導体装置です。

p-n接合ダイオードは、p型とn型の二種類の半導体材料で作られています。 Ｐ型半導体は、ｎ型半導体と接合されてｐ−ｎ接合を形成する。 P型半導体とn型半導体の接合に起因するデバイスは、p-n接合ダイオードと呼ばれます。

p-n接合ダイオードは、順方向バイアス状態で電流を許容し、逆バイアス状態で電流を遮断します。

電池の正端子がp型半導体に接続され、電池の負端子がn型半導体に接続されている場合、ダイオードは順方向バイアスされていると言われます。

ダイオードに順方向バイアス電圧を印加すると、自由電子が電池の負端子から電池の正端子に移動し始めます同様に正孔が電池の負端子から電池の負端子に移動し始めます。

これらの電荷キャリア（自由電子と正孔）の流れのために、p-n接合ダイオードに電流が発生します。

通常のp-n接合ダイオードでは、n型からp型に移動する電子は、p型半導体または接合部の正孔と再結合します。 同様に、p型からn型に移動する正孔は、n型半導体または接合部の電子と再結合する。

伝導帯の自由電子のエネルギー準位は、価電子帯の正孔と比較して高いことがわかっています。 したがって、自由電子は、正孔と再結合しながら、それらの余分なエネルギー（非放射エネルギー）を放出する。

発光ダイオード（Led）またはレーザダイオードで、同様の方法で再結合が起こる。 しかし、LEDやレーザーダイオードの自由電子は、正孔と再結合しながら光の形でエネルギーを放出します。

レーザーダイオードとは何ですか？

レーザーダイオードは、電気エネルギーを光エネルギーに変換して高強度のコヒーレント光を生成する光電子デバイスです。 レーザダイオードでは、半導体ダイオードのp-n接合は、レーザ媒体または活性媒体として作用する。

レーザダイオードの働きは発光ダイオード（LED）にほとんど類似しています。 LEDとレーザダイオードの主な違いは、ledがインコヒーレント光を放射するのに対し、レーザダイオードはコヒーレント光を放射することです。

半導体レーザーの構造

半導体レーザーは2つの添加されたガリウムのヒ素の層から成っています。 一つのドープされたヒ化ガリウム層はn型半導体を生成し、もう一つのドープされたヒ化ガリウム層はp型半導体を生成する。 レーザーダイオードでは、セレン、アルミニウム、シリコンがドーピング剤として使用されます。

P-N接合

p型層とn型層を接合するとp-n接合が形成される。 P型層とn型層が接合される点をp-n接合と呼びます。 P-n接合は、p型半導体とn型半導体を分離する。

レーザーダイオードの構築には、シリコンの上にヒ化ガリウムが選択されます。 シリコンダイオードでは、再結合中にエネルギーが放出されます。 しかし、このエネルギーの放出は光の形ではありません。

ヒ化ガリウムダイオードでは、エネルギーの放出は光または光子の形をしています。 従って、ガリウムヒ素は半導体レーザーの構造のために使用されます。

n型半導体

真性半導体にわずかな割合の外来原子を添加すると、n型またはp型半導体が生成されます。

真性または純粋な半導体に半価の不純物が添加されると、n型半導体が製造される。 N型半導体では、自由電子が大多数の電荷キャリアであるのに対し、正孔は少数の電荷キャリアである。 したがって、自由電子はn型半導体中の電流の大部分を運ぶ。

P型半導体

純粋な半導体に三価の不純物を添加すると、p型半導体が生成されます。 P型半導体では、正孔は大多数の電荷キャリアであり、自由電子は少数の電荷キャリアである。 したがって、穴はp型半導体の電流の大部分を運ぶ。

レーザダイオードでコヒーレントな光を生成するために必要な主なステップ

レーザダイオードでコヒーレントな光を生成するために必要な主なステップは、光吸収、自然放出、および誘導放出です。

エネルギーの吸収

エネルギーの吸収は、外部エネルギー源からエネルギーを吸収するプロセスです。

レーザダイオードでは、電気エネルギーまたはDC電圧が外部エネルギー源として使用されます。 直流電圧または電気エネルギーが価電子または価電子帯電子に十分なエネルギーを供給すると、それらは親原子との結合を破り、より高いエネルギー準 伝導帯の電子は自由電子として知られています。

価電子が価電子殻を離れると、電子が去った点に空のスペースが作成されます。 原子価殻のこの空の空間は穴と呼ばれます。

このように、外部DC源からのエネルギーの吸収のために、自由電子と正孔の両方が対として生成されます。

自発放出

自発放出とは、電子がより低いエネルギー状態に落ちている間に、光または光子を自然に放出するプロセスです。

レーザーダイオードでは、価電子帯電子または価電子は低エネルギー状態にあります。 したがって、価電子が残った後に生成された正孔も低エネルギー状態にある。

一方、伝導帯電子または自由電子はより高いエネルギー状態にあります。 簡単に言えば、自由電子は正孔よりも多くのエネルギーを持っています。

伝導帯の自由電子は、価電子帯の正孔と再結合するために余分なエネルギーを失う必要があります。

伝導帯の自由電子は長期間留まることはありません。 短い期間の後、自由電子は光子の形でエネルギーを放出することによって、より低いエネルギーの正孔と再結合する。

Stimulatedemission

Stimulatedemissionは、励起された電子または自由電子が光の形でエネルギーを放出することによって低エネルギー状態に陥るように刺激されるプロセスです。 誘導放出は人工的なプロセスです。

刺激された放出は、励起された電子または自由電子は、その寿命の完了を待つ必要はありません。 それらの寿命が完了する前に、入射光子または外部光子は、自由電子を正孔と再結合させる。 誘導放出では、各入射光子は2つの光子を生成する。

誘導放出によって生成された光子はすべて同じ方向に移動します。 その結果、高強度のレーザ光の狭いビームが生成される。

レーザーダイオードはどのように動作しますか？

レーザダイオードに直流電圧を印加すると、自由電子はn型材料からp型材料に接合領域を横切って移動します。 このプロセスでは、いくつかの電子は価電子と直接相互作用し、より高いエネルギーレベルに励起され、他の電子はp型半導体の正孔と再結合し、光の形でエネルギーを放出する。 この放出プロセスは自然放出と呼ばれます。

自然放出によって発生した光子は、接合領域を通過し、励起された電子（自由電子）を刺激します。 その結果、より多くの光子が放出される。 光または光子放出のこのプロセスは、誘導放出と呼ばれています。 誘導放出により生成された光は、接合部に平行に移動する。

レーザーダイオード構造の両端は光学的に反射しています。 一方の端は完全に反射され、他方の端は部分的に反射される。 完全反射端は光を完全に反射するのに対し、部分反射端は光の大部分を反射するが、少量の光を可能にする。

p-n接合部で生成された光は、2つの反射面の間で前後に（数百回）跳ね返ります。 その結果、巨大な光学利得が達成される。

誘導放出のために発生した光は、レーザダイオードの部分反射端を通って脱出し、狭いビームレーザ光を生成する。
誘導放出によって生成される光子はすべて同じ方向に移動します。 従って、このライトはスペースで広がらないで長い間隔に移動します。

レーザーダイオードの利点

1. シンプルな構造
2. 軽量
3. 非常に安い
4. 小型
5. 他のタイプのレーザーと比較して信頼性が高い。
6. より長い動作寿命
7. 高効率
8. 半導体レーザーにはミラーが必要ありません。
9. 低消費電力

レーザダイオードの欠点

1. 高出力が必要なアプリケーションには適していません。
2. 半導体レーザは温度に大きく依存します。

レーザダイオードの用途

1. レーザダイオードは、レーザポインタに使用されています。
2. レーザーダイオードは光ファイバ通信に使用されています。
3. バーコードリーダーにはレーザーダイオードが使用されています。
4. レーザーダイオードはレーザー印刷に使用されています。
5. レーザースキャンにはレーザーダイオードが使用されています。
6. レンジファインダーにはレーザーダイオードが使用されています。
7. レーザー吸収分光法にはレーザーダイオードが使用されています。

ダイオードの種類

ダイオードの種類は以下の通りです:

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