laserdiod

laserdioder spelar en viktig roll i vår vardag. De är mycket billiga och små. Laserdioder är den minsta av alla kända lasrar. Deras storlek är en bråkdel av en millimeter.
laserdioder är också kända som halvledarlasrar, korsningslasrar, korsningsdiodlasrar eller injektionslasrar. Innan vi går in i laserdioder, låt oss först titta på dioden själv.

Vad är en pn-kopplingsdiod?

en p – n-kopplingsdiod är en halvledaranordning som tillåter strömflödet i endast en riktning.

p-n-kopplingsdioden är tillverkad av två typer av halvledarmaterial, nämligen p-typ och N-typ halvledare. Halvledaren av p-typ förenas med halvledaren av N-typ för att bilda en p-n-korsning. Anordningen som härrör från sammanfogningen av en halvledare av p-typ och N-typ kallas en p-n-kopplingsdiod.

p – n-kopplingsdioden tillåter elektrisk ström i framåtriktat tillstånd medan den blockerar elektrisk ström i omvänd förspänningsförhållande.

om batteriets positiva terminal är ansluten till halvledaren av p-typ och batteriets negativa terminal är ansluten till halvledaren av N-typ, sägs dioden vara förspänd framåt.

när en framåtspänningsspänning appliceras på dioden börjar fria elektroner flytta från batteriets negativa terminal till batteriets positiva terminal på samma sätt hål börjar flytta från batteriets positiva terminal till batteriets negativa terminal.

på grund av detta flöde av laddningsbärare (fria elektroner och hål) genereras elektrisk ström i PN-kopplingsdioden.

i vanliga p-n-korsningsdioder kommer elektronerna som rör sig från n-typ till p-typ att rekombineras med hålen i halvledaren eller korsningen av p-typ. På samma sätt kommer hålen som rör sig från p-typ till n-typ att rekombineras med elektronerna i halvledaren eller korsningen av N-typ.

vi vet att energinivån för fria elektroner i ledningsbandet är hög jämfört med hålen i valensbandet. Därför kommer de fria elektronerna att frigöra sin extra energi (icke-strålningsenergi) medan de rekombineras med hålen.

Iljusemitterande dioder (lysdioder) eller laserdioder, rekombinationen sker på ett liknande sätt. De fria elektronerna i lysdioder eller laserdioder frigör emellertid energi i form av ljus medan de rekombineras med hålen.

Vad är en laserdiod?

en laserdiod är en optoelektronisk enhet som omvandlar elektrisk energi till ljusenergi för att producera högintensivt sammanhängande ljus. I en laserdiod fungerar p-n-korsningen av halvledardioden som lasermediet eller det aktiva mediet.

laserdiodens funktion är nästan lik den ljusemitterande dioden (LED). Huvudskillnaden mellan LED och laserdiod är att lysdioden avger osammanhängande ljus medan laserdioden avger sammanhängande ljus.

Laserdiodkonstruktion

laserdioden är tillverkad av två dopade galliumarsenidlager. Ett dopat galliumarsenidskikt kommer att producera en halvledare av n-typ medan ett annat dopat galliumarsenidskikt kommer att producera en halvledare av p-typ. I laserdioder används selen, aluminium och kisel som dopningsmedel.

p-n-korsning

när ett p-typskikt förenas med n-typskiktet bildas en p-n-korsning. Den punkt vid vilken p-typ-och n-typskikten förenas kallas p-n-korsning. P – n-korsningen separerar halvledarna av p-typ och N-typ.

för konstruktion av laserdioder väljs galliumarsenid framför kisel. I kiseldioder frigörs energin under rekombination. Denna frisättning av energi är emellertid inte i form av ljus.

i galliumarseniddioder är frisättningen av energi i form av ljus eller fotoner. Därför används galliumarsenid för konstruktion av laserdioder.

halvledare av N-typ

att lägga till en liten andel främmande atomer i den inneboende halvledaren ger en halvledare av N-typ eller p-typ.

Ompentavalenta föroreningar läggs till den inneboende eller rena halvledaren, produceras en halvledare av n-typ. I halvledare av n-typ är fria elektroner majoritetsladdningsbärare medan hål är minoritetsladdningsbärare. Därför bär fria elektroner det mesta av den elektriska strömmen i halvledare av N-typ.

halvledare av p-typ

om trivalenta föroreningar tillsätts till den rena halvledaren produceras en halvledare av p-typ. I halvledare av p-typ är hål majoritetsladdningsbärare medan fria elektroner är minoritetsladdningsbärare. Därför bär hål det mesta av den elektriska strömmen i halvledare av p-typ.

huvudsteg som krävs för att producera en sammanhängande ljusstråle i laserdioder

de viktigaste stegen som krävs för att producera en sammanhängande ljusstråle i laserdioder är: ljusabsorption, spontan emission och stimulerad emission.

Absorption av energi

absorption av energi är processen att absorbera energi från de externa energikällorna.

i laserdioder används elektrisk energi eller likspänning som extern energikälla. När likspänningen eller den elektriska energin levererar tillräckligt med energi till valenselektronerna eller valensbandelektronerna bryter de bindningen med moderatomen och hoppar in i den högre energinivån (ledningsbandet). Elektronerna i ledningsbandet är kända som fria elektroner.

när valenselektronen lämnar valensskalet skapas ett tomt utrymme vid den punkt från vilken elektronen lämnade. Detta tomma utrymme i valensskalet kallas ett hål.

således genereras både fria elektroner och hål som ett par på grund av absorptionen av energi från den externa DC-källan.

spontan emission

spontan emission är processen att emittera ljus eller fotoner naturligt medan elektroner faller till det lägre energitillståndet.

i laserdioder är valensbandelektronerna eller valenselektronerna i det lägre energitillståndet. Därför är hålen som genereras efter valenselektronerna kvar också i det lägre energitillståndet.

å andra sidan är ledningsbandelektronerna eller fria elektroner i högre energitillstånd. I enkla ord har fria elektroner mer energi än hål.

de fria elektronerna i ledningsbandet behöver förlora sin extra energi för att rekombinera med hålen i valensbandet.

de fria elektronerna i ledningsbandet kommer inte att stanna länge. Efter en kort period rekombineras de fria elektronerna med de lägre energihålen genom att frigöra energi i form av fotoner.

stimulerad emission

stimulerad emission är den process genom vilken upphetsade elektroner eller fria elektroner stimuleras att falla i det lägre energitillståndet genom att frigöra energi i form av ljus. Den stimulerade emissionen är en artificiell process.

Instimulerad emission, de upphetsade elektronerna eller fria elektronerna behöver inte vänta på att deras livstid är klar. Innan fullbordandet av deras livstid kommer incidenten eller externa fotoner att tvinga de fria elektronerna att rekombineras med hålen. I stimulerad emission kommer varje infallande foton att generera två fotoner.

alla fotoner som genereras på grund av den stimulerade emissionen kommer att röra sig i samma riktning. Som ett resultat produceras en smal stråle av högintensivt laserljus.

hur laserdiod fungerar?

när likspänning appliceras över laserdioden rör sig de fria elektronerna över korsningsområdet från n-typmaterialet till p-typmaterialet. I denna process kommer vissa elektroner direkt att interagera med valenselektronerna och exciterar dem till den högre energinivån medan vissa andra elektroner kommer att rekombineras med hålen i halvledaren av p-typ och släpper ut energi i form av ljus. Denna emissionsprocess kallas spontan emission.

fotonerna som genereras på grund av spontan emission kommer att resa genom korsningsområdet och stimulera de upphetsade elektronerna (fria elektroner). Som ett resultat släpps fler fotoner. Denna process av ljus-eller fotonemission kallas stimulerad emission. Ljuset som genereras på grund av stimulerad emission kommer att röra sig parallellt med korsningen.

de två ändarna av laserdiodstrukturen är optiskt reflekterande. Ena änden är helt reflekterande medan en annan ände är delvis reflekterande. Den helt reflekterande änden reflekterar ljuset helt medan den delvis reflekterande änden reflekterar det mesta av ljuset men tillåter en liten mängd ljus.

ljuset som genereras i PN-korsningen kommer att studsa fram och tillbaka (hundratals gånger) mellan de två reflekterande ytorna. Som ett resultat uppnås en enorm optisk förstärkning.

ljuset som genereras på grund av det stimulerade utsläppet släpps ut genom den delvis reflekterande änden av laserdioden för att producera ett smalt strållaserljus.
alla fotoner som genereras på grund av den stimulerade emissionen kommer att röra sig i samma riktning. Därför kommer detta ljus att resa till långa avstånd utan att sprida sig i rymden.

fördelar med laserdioder

1. enkel konstruktion
2. lätt
3. mycket billigt
4. liten storlek
5. mycket pålitlig jämfört med andra typer av lasrar.
6. längre livslängd
7. hög effektivitet
8. speglar krävs inte i halvledarlasrarna.
9. Låg strömförbrukning

nackdelar med laserdioder

1. inte lämplig för applikationer där höga krafter krävs.
2. Halvledarelasrar är mycket beroende av temperatur.

tillämpningar av laserdioder

1. laserdioder används i laserpekare.
2. laserdioder används i fiberoptisk kommunikation.
3. laserdioder används i streckkodsläsare.
4. laserdioder används vid laserutskrift.
5. laserdioder används vid laserskanning.
6. laserdioder används i avståndsmätare.
7. laserdioder används i laserabsorptionsspektrometri.

typer av dioder

de olika typerna av dioder är följande:

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