دیود های لیزر چگونه ساخته می شوند؟

دیود لیزر

دیودهای لیزری نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند. آنها بسیار کوچک و ارزان  هستند. دیودهای لیزر کوچکترین لیزر شناخته شده هستند. اندازه آنها کسری از میلی متر است.
قبل از رفتن به دیودهای لیزر ، اجازه دهید ابتدا به بررسی ساختار خود دیود بپردازیم.

دیود اتصال p-n چیست؟

دیود اتصال p-n نوعی عنصر نیمه هادی است که جریان را فقط در یک جهت عبور می دهد.

دیود اتصال p-n از دو نوع ماده نیمه هادی یعنی نیمه هادی نوع p و n ساخته شده است. نیمه هادی نوع p با نیمه هادی نوع n پیوند داده می شود تا اتصال p-n ایجاد شود. عنصری که از اتصال نیمه هادی نوع p و n حاصل می شود ، دیود اتصال p-n نامیده می شود.

دیود اتصال p-n عبور جریان الکتریکی را در شرایط بایاس مستقیم امکان پذیر می کند در حالی که عبور جریان الکتریکی را در شرایط بایاس معکوس مسدود می کند.

اگر ترمینال مثبت باتری به نیمه هادی نوع p و ترمینال منفی باتری به نیمه هادی نوع n متصل باشد ، گفته می شود که دیود در بایاس مستقیم قرار دارد.

هنگامی که ولتاژ بایاس مستقیم به دیود اعمال می شود ، الکترون های آزاد از ترمینال منفی باتری به ترمینال مثبت باتری حرکت می کنند ، حفره ها از ترمینال مثبت باتری به ترمینال منفی باتری حرکت می کنند.

به دلیل این جریان حاملهای بار (الکترونهای آزاد و حفره ها) ، جریان الکتریکی در دیود اتصال p-n تولید می شود.

در دیودهای پیوند p-n معمولی ، الکترونهایی که از نوع n به نوع p منتقل می شوند با حفره های نیمه هادی نوع p ترکیب می شوند. به طور مشابه ، حفره هایی که از نوع p به نوع n منتقل می شوند با الکترون های نیمه هادی نوع n ترکیب می شوند.

ما می دانیم که سطح انرژی الکترونهای آزاد در باند هدایت در مقایسه با حفره های باند ظرفیت زیاد است. بنابراین ، الکترونهای آزاد هنگام ترکیب مجدد با حفره ها ، انرژی اضافی خود را (انرژی غیر تابشی) آزاد می کنند.

در دیودهای ساطع کننده نور (LED) یا دیودهای لیزر ، ترکیب مجدد به روشی مشابه انجام می شود. با این حال ، الکترون های آزاد در دیودهای LED یا لیزر هنگام ترکیب مجدد با حفره ها ، انرژی را به صورت نور آزاد می کنند.

دیود لیزر چیست؟

دیود لیزر وسیله ای الکترونیکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی نوری تبدیل می کند تا نور منسجم با شدت بالا تولید کند. 

کارکرد دیود لیزر تقریباً مشابه دیود ساطع کننده نور (LED) است. تفاوت اصلی بین دیود LED و لیزر این است که LED نور ناهماهنگی را منتشر می کند در حالی که دیود لیزر نور منسجمی را از خود منتشر می کند.

ساخت دیود لیزر

دیود لیزر از دو لایه گالیم آرسنید  دوپ شده(منظور از دوپ کردن اضافه کردن ناخالصی برای یک ماده برای تغییر رفتار شیمیایی آن ماده است) ساخته شده است. یک لایه گالیوم آرسنید دوپ شده یک نیمه رسانا از نوع n تولید می کند در حالی که یک لایه دیگر گالیوم آرسنید دوپ شده یک نیمه هادی نوع P تولید می کند. در دیودهای لیزر از سلنیوم ، آلومینیوم و سیلیسیم برای تغییر رفتار یک ماده در رسانش (دوپ) استفاده می شود.

پیوند P-N

هنگامی که یک لایه از نوع p به لایه نوع n پیوند داده می شود ، یک اتصال p-n تشکیل می شود. به نقطه ای که لایه های نوع p و n به یکدیگر متصل می شوند محل اتصال p-n  یا پیوند p-n گفته می شود. محل پیوند p-n نیمه هادی های نوع p و n را از هم جدا می کند.

برای ساخت دیودهای لیزر ، گالیوم آرسنید به جای سیلیکون انتخاب می شود. در دیودهای سیلیکون ، انرژی در هنگام ترکیب مجدد آزاد می شود. با این حال ، این آزادسازی انرژی به صورت نور نیست.

در دیودهای گالیوم آرسنید ، آزادسازی انرژی به صورت نور یا فوتون است. بنابراین ، گالیوم آرسنید برای ساخت دیودهای لیزر مورد استفاده قرار می گیرد.

نیمه هادی نوع N

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

اگر ناخالصی های پنج ظرفیتی به نیمه هادی ذاتی یا خالص اضافه شود ، یک نیمه هادی نوع n تولید می شود. در نیمه هادیهای نوع n ، الکترونهای آزاد حاملهای بار اکثریت هستند در حالیکه حفرهها حاملهای بارهای اقلیت هستند. بنابراین  بیشتر ، الکترونهای آزاد  جریان الکتریکی را در نیمه هادیهای نوع n هدایت می کنند.

نیمه هادی نوع P

اگر ناخالصی های سه ظرفیتی به نیمه هادی خالص اضافه شود ، یک نیمه هادی نوع p تولید می شود. در نیمه هادی های نوع p ، حفره ها حامل بار اکثریت هستند در حالی که الکترون های آزاد حامل های بار اقلیت هستند. بنابراین بیشتر ، حفره ها  جریان الکتریکی را در نیمه هادی های نوع p هدایت می کنند.

مراحل اصلی مورد نیاز برای تولید یک پرتو منسجم از نور در دیودهای لیزر

مراحل اصلی مورد نیاز برای تولید یک پرتو منسجم نور در دیودهای لیزر عبارتند از: جذب نور ، انتشار خود به خود یا گسیل خود به خود و حالت برانگیخته.

جذب انرژی

جذب انرژی فرآیند جذب انرژی از منابع انرژی خارجی است.

در دیودهای لیزر ، از انرژی الکتریکی یا ولتاژ DC به عنوان منبع انرژی خارجی استفاده می شود. هنگامی که ولتاژ DC یا انرژی الکتریکی انرژی کافی به الکترونهای ظرفیت یا الکترونهای باند ظرفیت می رساند ، آنها پیوند با اتم اصلی را می شکند و به سطح انرژی بالاتر (باند رسانش) می پرد. الکترونهای موجود در باند هدایت به عنوان الکترونهای آزاد شناخته می شوند.

وقتی الکترون ظرفیت از پوسته ظرفیت خارج شد ، فضای خالی در نقطه ای که الکترون از آن خارج شده ایجاد می شود. به این فضای خالی در پوسته ظرفیت ، یک حفره گفته می شود.

بنابراین ، هر دو الکترون آزاد و حفره به دلیل جذب انرژی از منبع DC خارجی تولید می شوند.

انتشار خود به خود یا گسیل خود به خودی

انتشار خود به خود فرآیند تابش نور یا فوتون به طور طبیعی در صورتی اتفاق می افتد که الکترون ها از پوسته بالاتر به پوسته پایین یعنی حالت انرژی پایین برسند.

در دیودهای لیزر ، الکترونهای باند ظرفیت یا الکترونهای ظرفیت در حالت انرژی پایین تر هستند. بنابراین ، حفره های ایجاد شده پس از ترک الکترون های ظرفیت نیز در حالت انرژی پایین تر هستند.

از طرف دیگر ، الکترونهای باند رسانایی یا الکترونهای آزاد در حالت انرژی بالاتر هستند. به عبارت ساده ، الکترونهای آزاد انرژی بیشتری نسبت به حفره ها دارند.

الکترونهای آزاد در باند هدایت برای ترکیب مجدد با حفره های باند ظرفیت ، نیاز به از دست دادن انرژی اضافی خود دارند.

الکترونهای آزاد در باند هدایت برای مدت طولانی باقی نمی مانند. پس از مدت کوتاهی ، الکترون های آزاد با آزاد کردن انرژی به صورت فوتون یا نور با حفره های انرژی کمتر ترکیب می شوند.

حالت برانگیخته

حالت برانگیخته فرآیندی است که طی آن الکترونهای تحریک شده با آزادسازی انرژی به شکل نور در حالت انرژی پایین قرار گیرند. حالت برانگیخته یک فرآیند مصنوعی است.

در حالت برانگیخته ، الکترونهای آزاد نیازی به انتظار برای اتمام عمر خود ندارند. قبل از اتمام عمر آنها ، فوتون های ایجاد شده یا خارجی ، الکترون های آزاد را مجبور به ترکیب مجدد با حفره ها می کند. در حالت برانگیخته ، هر روی داد ترکیب دو فوتون تولید می کند.

تمام فوتون های تولید شده در اثر حالت برانگیخته در همان جهت حرکت می کنند. در نتیجه ، یک پرتوی باریک از نور لیزر با شدت بالا تولید می شود.

دیود لیزر چگونه کار می کند؟

وقتی ولتاژ DC از طریق دیود لیزر اعمال می شود ، الکترونهای آزاد از ناحیه اتصال از ماده n به ماده p حرکت می کنند. در این فرایند ، برخی از الکترونها مستقیماً با الکترونهای ظرفیت برهم کنش دارند و آنها را به سطح انرژی بالاتر برانگیخته در حالیکه برخی از الکترونهای دیگر با حفره های نیمه هادی نوع p ترکیب می شوند و انرژی را به شکل نور آزاد می کنند. به این فرآیند انتشار ، انتشار یا گسیل خود به خود گفته می شود.

فوتون های تولید شده در اثر انتشار خود به خود از طریق پیوند p-n عبور می کنند و الکترون های برانگیخته (الکترون های آزاد) را تحریک می کنند. در نتیجه تعداد بیشتری فوتون آزاد می شود. به این فرآیند انتشار نور یا فوتون ، حالت برانگیخته گفته می شود. نوری که به دلیل برانگیخته شدن تولید می شود ، به موازات محل اتصال حرکت می کند.

دو انتهای ساختار دیود لیزر از نظر نوری بازتاب می شوند. یک انتهای آن کاملاً بازتابنده است در حالی که انتهای دیگر آن تا حدی بازتابنده است. انتهای کاملاً انعکاسی نور را کاملاً منعکس می کند در حالی که انتهای بازتابنده جزئی تنها بخشی از نور را منعکس می کند.

نور تولید شده در محل اتصال p-n بین دو سطح بازتابنده به بالا و پایین (صدها بار) خواهد پرید. در نتیجه ، یک افزایش نوری عظیم صورت می گیرد.

نوری که به دلیل حالت بر انگیخته تولید می شود ، از طریق انتهای بازتابنده دیود لیزر عبور می کند تا یک نور لیزر با پرتو باریک تولید کند.
تمام فوتون های تولید شده در اثر برانگیخته شدن در همان جهت حرکت می کنند. بنابراین ، این نور بدون پخش شدن در فضا ، به مسافت های طولانی می رود.

مزایای دیودهای لیزر

۱-ساخت ساده
۲-سبک وزن
۳- ارزان
۴-اندازه کوچک
۵-در مقایسه با انواع دیگر لیزر بسیار قابل اعتماد است.
۶-عمر طولانی تر
۷-راندمان بالا
۸-در لیزرهای نیمه هادی نیازی به آینه یا منعکس کننده نور نیست.
۹-مصرف برق کم

معایب دیودهای لیزر

۱-برای برنامه هایی که به توان بالا نیاز است مناسب نیست.
۲-لیزرهای نیمه رسانا وابستگی زیادی به دما دارند.

کاربردهای دیودهای لیزر

۱-از دیودهای لیزر در اشاره گرهای لیزری استفاده می شود.
۲-از دیودهای لیزر در ارتباطات فیبر نوری استفاده می شود.
۳-از دیودهای لیزر در بارکد خوانها استفاده می شود.
۴-از دیودهای لیزر در چاپ لیزر استفاده می شود.
۵-از دیودهای لیزر در اسکن لیزر استفاده می شود.
۶-از دیودهای لیزر در مسافت یابها استفاده می شود.
۷-از دیودهای لیزر در طیف سنجی جذب لیزر استفاده می شود.

انواع دیودها

انواع مختلف دیودها به شرح زیر است:
دیود زنر
دیود بهمنی
فوتودیود
دیود ساطع نور (LED)
دیود لیزر
دیود تونلی
دیود شاتکی
دیود وراکتور
دیود معمولی P-N