معرفی دیود لیزری و ساختار و اصول کاری آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: دیود‌های لیزر (Laser diode) نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند. آن‌ها بسیار ارزان و کوچک هستند. دیود‌های لیزری در بین تمام لیزر‌های شناخته شده کوچکترین هستند. اندازه آن‌ها کسری از میلی متر است.

دیود‌های لیزر به عنوان لیزر‌های نیمه هادی، لیزر‌های پیوندی، لیزر‌های دیود پیوندی یا لیزر‌های تزریقی نیز شناخته می‌شوند. قبل از پرداختن به دیود‌های لیزر، اجازه دهید ابتدا به خود دیود نگاهی بیندازیم.

دیود پیوند p-n چیست؟

دیود پیوند p-n یک دستگاه نیمه هادی است که جریان را تنها در یک جهت می‌دهد.

دیود پیوند p-n از دو نوع مواد نیمه هادی به نام‌های نیمه هادی نوع p و نوع n ساخته شده است. نیمه هادی نوع p به نیمه هادی نوع n متصل می‌شود تا یک پیوند p-n ایجاد شود. دستگاهی که از اتصال یک نیمه هادی نوع p و نوع n حاصل می‌شود، دیود پیوند p-n نامیده می‌شود.

دیود اتصال p-n به جریان الکتریکی در شرایط بایاس مستقیم اجازه می‌دهد در حالی که جریان الکتریکی را در شرایط بایاس معکوس مسدود می‌کند.

اگر پایانه مثبت باتری به نیمه هادی نوع p و ترمینال منفی باتری به نیمه هادی نوع n وصل شود، دیود بایاس مستقیم گفته می‌شود.

هنگامی که یک ولتاژ بایاس مستقیم به دیود اعمال می‌شود، الکترون‌های آزاد از ترمینال منفی باتری به پایانه مثبت باتری شروع به حرکت می‌کنند، به طور مشابه سوراخ‌هایی شروع به حرکت از پایانه مثبت باتری به پایانه منفی باتری می‌کنند.

به دلیل این جریان حامل‌های بار (الکترون‌ها و حفره‌های آزاد)، جریان الکتریکی در دیود اتصال p-n ایجاد می‌شود.

در دیود‌های معمولی پیوند p-n، الکترون‌هایی که از نوع n به نوع p حرکت می‌کنند با سوراخ‌های نیمه هادی یا پیوند نوع p ترکیب می‌شوند. به طور مشابه، حفره‌هایی که از نوع p به نوع n حرکت می‌کنند، با الکترون‌های موجود در نیمه هادی یا پیوند نوع n دوباره ترکیب می‌شوند.‌

می‌دانیم که سطح انرژی الکترون‌های آزاد در باند رسانایی در مقایسه با حفره‌های باند ظرفیت بالا است. بنابراین، الکترون‌های آزاد انرژی اضافی خود (انرژی غیر تابشی) را در حین ترکیب مجدد با حفره‌ها آزاد می‌کنند.

در دیود‌های ساطع نور (LED) یا دیود‌های لیزری، ترکیب جدیدی به روشی مشابه انجام می‌شود. با این حال، الکترون‌های آزاد در دیود‌های LED یا لیزر، انرژی را به شکل نور آزاد می‌کنند، در حالی که با سوراخ‌ها ترکیب می‌شوند.

دیود لیزر چیست؟

دیود لیزر یک دستگاه نوری الکترونیکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می‌کند تا نور منسجم با شدت بالا تولید کند. در دیود لیزری، پیوند p-n دیود نیمه هادی به عنوان وسیله لیزر یا وسیله فعال عمل می‌کند.

عملکرد دیود لیزر تقریباً شبیه دیود ساطع کننده نور (LED) است. تفاوت اصلی بین LED و لیزر دیود در این است که LED نور نامنسجم ساطع می‌کند در حالی که دیود لیزر نور منسجم منتشر می‌کند.

ساخت دیود لیزری

دیود لیزر از دو لایه آرسنید گالیم تخدیر شده ساخته شده است. یک لایه آرسنید گالیم تخدیر شده یک نیمه هادی نوع n تولید می‌کند در حالی که لایه دیگر آرسنید گالیم تخدیر شده یک نیمه هادی نوع p تولید می‌کند. در دیود‌های لیزری از سلنیوم، آلومینیوم و سیلیکون به عنوان تخدیرکننده (doping) استفاده می‌شود.

پیوند P-N

هنگامی که یک لایه از نوع p به لایه نوع n متصل می‌شود، یک اتصال p-n تشکیل می‌شود. نقطه‌ای که لایه‌های نوع p و نوع n در آن به هم متصل می‌شوند، اتصال p-n نامیده می‌شود. اتصال p-n نیمه هادی‌های نوع p و نوع n را از هم جدا می‌کند.

برای ساخت دیود‌های لیزر، آرسنید گالیم به جای سیلیکون انتخاب می‌شود. در دیود‌های سیلیکونی، انرژی در طی نوترکیب آزاد می‌شود. با این حال، این آزاد شدن انرژی به صورت نور نیست.
در دیود‌های آرسنید گالیم، آزاد شدن انرژی به صورت نور یا فوتون است؛ بنابراین از آرسنید گالیم برای ساخت دیود‌های لیزری استفاده می‌شود.

نیمه هادی نوع N

با افزودن درصد کمی از اتم‌های خارجی به نیمه هادی ذاتی، یک نیمه هادی نوع n یا p تولید می‌شود.

اگر ناخالصی‌های پنج ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی یا خالص اضافه شود، یک نیمه هادی نوع n تولید می‌شود. در نیمه هادی‌های نوع n، الکترون‌های آزاد حامل اکثریت بار هستند در حالی که سوراخ‌ها حامل‌های بار اقلیت هستند. بنابراین، الکترون‌های آزاد بیشتر جریان الکتریکی را در نیمه هادی‌های نوع n حمل می‌کنند.

نیمه هادی نوع P

اگر ناخالصی‌های سه ظرفیتی به نیمه هادی خالص اضافه شود، یک نیمه هادی نوع p تولید می‌شود. در نیمه هادی‌های نوع p، حفره‌ها حامل اکثریت بار هستند در حالی که الکترون‌های آزاد حامل‌های اقلیت هستند. بنابراین، سوراخ‌ها بیشتر جریان الکتریکی را در نیمه هادی‌های نوع p حمل می‌کنند.

یک دیود لیزر نیمه هادی ساده به ترتیب از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:

• تماس فلزی
• مواد از نوع P
• منطقه فعال/ذاتی (مواد نوع N)
• مواد از نوع N
• تماس فلزی

پایانه‌های ورودی به یک صفحه فلزی متصل می‌شوند که به لایه‌های نوع n و p متصل می‌شوند. به این نوع دیود لیزر، "دیود لیزر همجنکش" نیز گفته می‌شود. ناحیه ذاتی بین مواد نوع p و نوع n برای افزایش حجم ناحیه فعال استفاده می‌شود، به طوری که تعداد بیشتری حفره و الکترون می‌توانند در محل اتصال جمع شوند. این اجازه می‌دهد تا تعداد بیشتری از الکترون‌ها در هر لحظه با حفره‌ها ترکیب شوند و در نتیجه توان خروجی بهتری داشته باشند. نور لیزر از ناحیه بیضوی ساطع می‌شود. این پرتو از دیود لیزر را می‌توان با استفاده از یک لنز نوری بیشتر متمرکز کرد. کل این دیود پین (نوع P، ذاتی، نوع N) به طور معمول در یک محفظه فلزی محصور شده است.

انواع دیود‌های لیزر

دیود لیزر دو ساختار ناهمسان

در این نوع دیود‌های لیزر، یک لایه محصور کننده اضافی از یک ماده متفاوت بین دو ماده نوع p و نوع n قرار می‌گیرد. به هر یک از اتصالات بین مواد مختلف یک ساختار ناهمگن می‌گویند. به دلیل وجود دو ساختار ناهمسان، این نوع از دیود لیزر به عنوان دیود لیزر دوتایی (DH) نامیده می‌شود. مزیت این دیود لیزر DH این است که ناحیه فعال به یک لایه نازک محدود می‌شود که تقویت نوری بهتری می‌دهد.

دیود لیزری چاه کوانتومی

دیود لیزر چاه کوانتومی دارای یک لایه میانی بسیار نازک است که به عنوان یک چاه کوانتومی عمل می‌کند. الکترون‌ها می‌توانند از سطوح انرژی کوانتومی هنگام انتقال از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین‌تر استفاده کنند. این کار راندمان بهتری را برای این نوع دیود لیزری می‌دهد.

دیود لیزر ساختار ناهمسان محبوس جداگانه

لایه میانی نازک در دیود لیزر چاه کوانتومی برای محدود کردن نور منتشر شده بسیار کوچک است. برای جبران این امر، در دیود لیزر ناهم ساختار محصوره جداگانه، دو لایه دیگر بر روی سه لایه اولیه اضافه می‌شود. این لایه‌ها ضریب شکست کمتری دارند و به محدود کردن نور ساطع شده به طور موثر کمک می‌کنند.

دیود لیزری ساطع کننده سطح حفره عمودی (VCSEL)

تمام دیود‌های لیزری که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، حفره نوری عمود بر مسیر جریان قرار می‌گیرد. با این حال، در دیود‌های لیزری ساطع کننده سطح حفره عمودی، حفره نوری در امتداد محور مسیر جریان است. آینه‌های نیمه بازتابنده در نزدیکی انتهای حفره نوری قرار می‌گیرند.

انواع دیگر دیود لیزری

• دیود لیزر کوانتومی آبشار
• دیود لیزری آبشاری بین باند
• دیود لیزری بازتابنده براگ توزیع شده
• دیود لیزری بازخورد توزیع شده
• لیزر دایود حفره خارجی
• دیود لیزری ساطع کننده سطح حفره خارجی عمودی (VCSEL)