elektronische apparaten en schakelingen > > Halfgeleiderdioden > > laserdiode
laserdioden spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven. Ze zijn erg goedkoop en klein. Laserdiodes zijn de kleinste van alle bekende lasers. Hun grootte is een fractie van een millimeter.
laserdioden zijn ook bekend als halfgeleiderlasers, junctielasers, junctiediodelasers of injectielasers. Voordat we in laserdiodes gaan, laten we eerst kijken naar de diode zelf.
Wat is een p-n-junctiediode?
een p-n-junctiediode is een halfgeleiderelement dat de stroomstroom in slechts één richting mogelijk maakt.
de P-n-junctiediode is gemaakt van twee soorten halfgeleidermaterialen, namelijk P-en n-halfgeleider. De P-type halfgeleider wordt samengevoegd met de N-type halfgeleider om een P-n junction te vormen. Het apparaat dat het resultaat is van het verbinden van een P-type en n-type halfgeleider wordt een p-n junctiediode genoemd.
de P-n-junctiediode maakt elektrische stroom in voorwaartse bias mogelijk, terwijl hij elektrische stroom in omgekeerde biasconditie blokkeert.
als de positieve aansluiting van de batterij is aangesloten op de halfgeleider van het P-type en de negatieve aansluiting van de batterij is aangesloten op de halfgeleider van het n-type, wordt gezegd dat de diode naar voren is vertekend.
Whena forward bias-spanning wordt toegepast op de diode, vrije elektronen beginnen met het verplaatsen van de negatieve pool van de batterij met de positieve pool van de batterij ook gaten beginnen met het verplaatsen van de positieve aansluiting van de batterij aan de negatieve pool van de batterij.
door deze ladingsdragers (vrije elektronen en gaten) wordt elektrische stroom opgewekt in de P-n-junctiediode.
In gewone p-n junctiedioden, zullen de elektronen die van n-type naar p-type gaan recombineren met de gaten in de P-type halfgeleider of junctie. Op dezelfde manier zullen de gaten die van p-type naar n-type gaan recombineren met de elektronen in de N-type halfgeleider of junctie.
we weten dat het energieniveau van vrije elektronen in de geleidingsband hoog is in vergelijking met de gaten in de valentieband. Daarom zullen de vrije elektronen hun extra energie (niet-stralingsenergie) vrijgeven terwijl ze recombineren met de gaten.
in de luminescentiedioden (LEDs) of laserdioden, de recombinatie vindt op dezelfde wijze plaats. De vrije elektronen in LED ‘ s of laserdiodes geven echter energie vrij in de vorm van licht terwijl ze recombineren met de gaten.
af Wat is een laserdiode?
een laserdiode is een opto-elektronisch apparaat dat elektrische energie omzet in lichtenergie om coherent licht met hoge intensiteit te produceren. In een laserdiode fungeert de p-n-verbinding van de halfgeleiderdiode als het lasermedium of het actieve medium.
de werking van de laserdiode is vrijwel gelijk aan die van de lichtgevende diode (LED). Het belangrijkste verschil tussen de LED en de laserdiode is dat de LED onsamenhangend licht uitzendt terwijl de laserdiode coherent licht uitzendt.
Laserdiodeconstructie
de laserdiode bestaat uit twee gedoteerde lagen galliumarsenide. Een gedoteerde laag galliumarsenide zal een N-type halfgeleider produceren terwijl een andere gedoteerde laag galliumarsenide een P-type halfgeleider zal produceren. In laserdiodes worden selenium, aluminium en silicium gebruikt als dopingmiddelen.
p-N junctie
wanneer een laag van het P-type wordt samengevoegd met de laag van het n-type, wordt een p-n junctie gevormd. Het punt waarop de lagen p-type en n-type worden samengevoegd wordt P-n junction genoemd. De p-n kruising scheidt de P-type en n-type halfgeleiders.
voor de constructie van laserdioden wordt galliumarsenide gekozen boven silicium. In silicium diodes komt de energie vrij tijdens recombinatie. Echter, deze vrijgave van energie is niet in de vorm van licht.
in galliumarsenidedioden komt energie vrij in de vorm van licht of fotonen. Daarom wordt galliumarsenide gebruikt voor de constructie van laserdiodes.
n-type halfgeleider
door toevoeging van een klein percentage vreemde atomen aan de intrinsieke halfgeleider ontstaat een N-type of p-type halfgeleider.
als Pentavalente onzuiverheden aan de intrinsieke of zuivere halfgeleider worden toegevoegd, wordt een halfgeleider van het n-type geproduceerd. In halfgeleiders van het n-type zijn vrije elektronen de grootste ladingsdragers, terwijl gaten de kleinere ladingsdragers zijn. Daarom dragen vrije elektronen het grootste deel van de elektrische stroom in n-type halfgeleiders.
P-type halfgeleider
indien aan de zuivere halfgeleider trivalente onzuiverheden worden toegevoegd, wordt een P-type halfgeleider geproduceerd. In P-type halfgeleiders, zijn gaten de meerderheid ladingsdragers terwijl vrije elektronen de minderheid ladingsdragers zijn. Daarom dragen gaten het grootste deel van de elektrische stroom in P-type halfgeleiders.
belangrijkste stappen die vereist zijn voor het produceren van een coherente lichtbundel in laserdioden
de belangrijkste stappen die vereist zijn voor het produceren van een coherente lichtbundel in lasersdioden zijn: lichtabsorptie, spontane emissie en gestimuleerde emissie.
absorptie van energie
absorptie van energie is het proces van het absorberen van energie uit externe energiebronnen.
in laserdioden wordt elektrische energie of gelijkspanning gebruikt als externe energiebron. Wanneer de DC-spanning of elektrische energie voldoende energie levert aan de valentie-elektronen of valentieband-elektronen, breken ze de binding met het ouderatoom en springen ze in het hogere energieniveau (geleidingsband). De elektronen in de geleidingsband staan bekend als vrije elektronen.
wanneer het valentie-elektron de valentieschil verlaat, wordt een lege ruimte gecreëerd op het punt vanwaar het elektron vertrok. Deze lege ruimte in de valentieschil wordt een gat genoemd.
dus worden zowel vrije elektronen als gaten als paar gegenereerd door de absorptie van energie uit de externe gelijkstroombron.
spontane emissie
spontane emissie is het proces waarbij licht of fotonen op natuurlijke wijze worden uitgezonden terwijl elektronen in de lagere energietoestand vallen.
in laserdioden bevinden de valentiebandelektronen of valentie-elektronen zich in de lagere energietoestand. Daarom zijn de gaten die na de valentie-elektronen worden gegenereerd ook in de lagere energietoestand.
daarentegen bevinden de geleidingsbandelektronen of vrije elektronen zich in de hogere energietoestand. In eenvoudige woorden, vrije elektronen hebben meer energie dan gaten.
de vrije elektronen in de geleidingsband moeten hun extra energie verliezen om te recombineren met de gaten in de valentieband.
de vrije elektronen in de geleidingsband zullen niet lang blijven. Na een korte periode recombineren de vrije elektronen met de lagere energiegaten door energie vrij te geven in de vorm van fotonen.
gestimuleerde emissie
gestimuleerde emissie is het proces waarbij opgewonden elektronen of vrije elektronen worden gestimuleerd om in de lagere energietoestand te vallen door energie vrij te geven in de vorm van licht. De gestimuleerde emissie is een kunstmatig proces.
geïnduceerde emissie, hoeven de geëxciteerde elektronen of vrije elektronen niet te wachten tot hun levensduur is verstreken. Vóór de voltooiing van hun leven, zullen de invallende of externe fotonen de vrije elektronen dwingen om met de gaten te recombineren. Bij gestimuleerde emissie genereert elk invallend foton twee fotonen.
alle door de gestimuleerde emissie gegenereerde fotonen zullen in dezelfde richting bewegen. Hierdoor ontstaat een smalle bundel laserlicht met hoge intensiteit.
Hoe werkt de laserdiode?
wanneer DC-spanning wordt toegepast over de laserdiode, bewegen de vrije elektronen over het verbindingsgebied van het materiaal van het n-type naar het materiaal van het p-type. In dit proces, zullen sommige elektronen direct met de valentie-elektronen interageren en hen tot het hogere energieniveau opwekken terwijl sommige andere elektronen met de gaten in de P-type halfgeleider zullen recombineren en energie in de vorm van licht zullen vrijgeven. Dit proces van emissie wordt spontane emissie genoemd.
de door spontane emissie gegenereerde fotonen zullen door het knooppuntgebied reizen en de geëxciteerde elektronen (vrije elektronen) stimuleren. Hierdoor komen er meer fotonen vrij. Dit proces van licht-of fotonenemissie wordt gestimuleerde emissie genoemd. Het door de gestimuleerde emissie gegenereerde licht beweegt parallel aan de kruising.
de twee uiteinden van de laserdiodestructuur zijn optisch reflecterend. Het ene uiteinde is volledig reflecterend terwijl het andere uiteinde gedeeltelijk reflecterend is. Het volledig reflecterende uiteinde reflecteert het licht volledig terwijl het gedeeltelijk reflecterende uiteinde het grootste deel van het licht reflecteert, maar een kleine hoeveelheid licht toestaat.
het licht dat wordt gegenereerd in de p-n-verbinding zal heen en weer stuiteren (honderden keren) tussen de twee reflecterende oppervlakken. Hierdoor wordt een enorme optische winst bereikt.
het licht dat door de gestimuleerde emissie wordt gegenereerd, ontsnapt door het gedeeltelijk reflecterende uiteinde van de laserdiode om een laserlicht met een smalle straal te produceren.
alle door de gestimuleerde emissie gegenereerde fotonen zullen in dezelfde richting bewegen. Daarom zal dit licht lange afstanden afleggen zonder zich in de ruimte te verspreiden.
voordelen van laserdioden
- eenvoudige constructie
- lichtgewicht
- zeer goedkoop
- klein formaat
- zeer betrouwbaar in vergelijking met andere lasers. Een langere levensduur
- hoge efficiëntie
- spiegels zijn niet vereist in halfgeleiderlasers.
- laag stroomverbruik
nadelen van laserdioden
- niet geschikt voor toepassingen waarvoor hoge vermogens vereist zijn. Halfgeleiderlasers zijn sterk afhankelijk van temperatuur.
toepassingen van laserdioden
- laserdioden worden gebruikt in laserpointers.
- laserdioden worden gebruikt in glasvezelcommunicatie.
- laserdioden worden gebruikt in barcodelezers.
- laserdioden worden gebruikt bij het laserprinten.
- laserdioden worden gebruikt bij het scannen van lasers.
- laserdioden worden gebruikt in afstandsmeters.
- laserdioden worden gebruikt in laserabsorptiespectrometrie.
typen dioden
de verschillende typen dioden zijn als volgt::
- Zener diode
- Avalanche diode
- Photodiode
- Light Emitting Diode
- Laser diode
- Tunnel diode
- Schottky diode
- Varactor diode
- P-N junction diode