Nguyên tắc hoạt động

6. Phƣơng pháp nghiên cứu

4.3.2. Nguyên tắc hoạt động

Chuyển tiếp p-n của chất bán dẫn thường

Lớp chuyển tiếp p-n gồm 2 lớp bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau. Trong chất bán dẫn loại n, nồng độ tạp chất donor cao thì mức Fermi được nâng lên gần đáy của vùng dẫn. Khi xác suất điện tử chiếm đầy các mức năng lượng trên vùng dẫn tăng và xác suất lỗ trống trong vùng hóa trị giảm. Tương tự như vậy, trong chất bán dẫn loại p, khi tăng nông độ acceptor thì mức năng lượng Fermi sẽ bị hạ xuống gần đỉnh vùng hóa trị. Khi lớp chuyển tiếp được hình thành, do chênh lệch nồng độ của các hạt tải (điện tử và lỗ trống) trong hai miền, xảy ra các quá trình khuếch tán: điện tử khuếch tán từ vùng n sang vùng p và lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n. Trong khi di chuyển các điện tử và lỗ trống này có thể tái hợp với nhau. Kết quả của quá trình này là, vùng n xuất hiện các ion donor dương và vùng p còn lại các ion acceptor âm tập trung gần hai mối nối. Ở ranh giới hai vùng hình thành điện trường Ei từ vùng n hướng sang vùng p. Điện trường này hạn chế quá trình khuếch tán của các hạt tải cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt. Miền không gian chỉ chứa các ion cố định có điện trở rất lớn so với vùng điện tích trung hòa. Ta gọi vùng này là vùng hiếm hay vùng nghèo. Tương ứng với điện trường Ei, xuất hiện hiệu thế tiếp xúc Uo giữa hai vùng:

ln oN ln oP o oP oN n p kT kT U e n e n  

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 4.8. Giản đồ vùng năng lượng chuyển tiếp p-n khi chưa áp điện

Khi phân cực thuận lớp chuyển tiếp, điện áp V tạo điện trường ngoài ngược chiều với điện trường tiếp xúc Ei. Do hai điện trường ngược chiều nhau nên điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp giảm xuống. Thế hiệu tiếp xúc bây giờ bằng e U( oV). Sự giảm này làm tăng dòng tải cơ bản qua nối. Lúc này điện tử và lỗ trống tái hợp

Khi phân cực ngược lớp chuyển tiếp, điện áp V tạo điện trường ngoài cùng chiều với điện trường tiếp xúc Ei. Do đó, điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp tăng lên. Hiệu thế tiếp xúc tăng lên e U( oV), cản trở chuyển động của hạt tải cơ bản qua nối. Lúc này chỉ còn dòng trôi rất nhỏ đi qua nối.

Tiểu luận lý thuyết LASER

Lớp tiếp xúc p-n của bán dẫn suy biến GaAs

Trong chất bán dẫn có nồng độ pha tạp lớn, những mức nguyên tử tạp chất mở rộng thành vùng và phủ lên vùng dẫn và vùng hóa trị. Bán dẫn sẽ có tính chất dẫn của kim loại và không còn phụ thuộc vào nhiệt độ, mức Fermi sẽ nằm ngay trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta gọi bán dẫn như vậy là bán dẫn suy biến.

Hình 4.10. Giản đồ vùng năng lượng đơn giản của bán dẫn suy biến loại n (a) và loại p (b)

Khi phân cực thuận tiếp xúc p-n suy biến, hàng rào thế giảm xuống cho phép điện tử đi qua nối và tái hợp lỗ trống. Lúc này Ei EFnEFp  Eg.

Tiểu luận lý thuyết LASER

Điều kiện đảo lộn Bernard – Durafourg để tiếp xúc p-n tạo được mật độ đảo lộn:

Fn Fp

E E  

Phương pháp phun dòng tải điện qua lớp chuyển tiếp p-n

Trong các loại laser trước, sự chuyển mức năng lượng chỉ xảy ra giữa các mức năng lượng riêng biệt. Nhưng trong laser bán dẫn, sự dịch chuyển laser liên quan đến cấu trúc vùng năng lượng (xảy ra giữa vùng dẫn và vùng hóa trị). Sự lan truyền sóng điện từ trong buồng cộng hưởng chỉ phụ thuộc vào bản thân vật liệu.

Hiệu ứng laser đầu tiên trong bán dẫn nhận được ở tinh thể GaAs trên lớp tiếp xúc p-n ở trạng thái suy biến và đến nay nó vẫn được dùng rộng rãi hơn cả.

Hình 4.12. Sơ đồ năng lượng của tiếp xúc p-n suy biến

Khi phân cực thuận nối p-n, miền hoạt tính chứa đồng thời điện tử và lỗ trống được sinh ra. Tại đây, điện tử và lỗ trống tái hợp phát ra bức xạ. Bức xạ có giá trị

g Fn Fp

E h  E E

khi đi qua miền hoạt tính sẽ được khuếch đại lên.

Miền hoạt tính

Tiểu luận lý thuyết LASER Độ dày của lớp hoạt tính bằng đoạn dường điện tử khuếch tán vào vùng p đến thời điểm tái hợp với lỗ trống ở vùng hóa trị. Khoảng cách đó bằng độ dài khuếch tán

D , với D là hệ số khuếch tán và  là thời gian sống của điện tử. Với GaAs,

3 2

10

D  m s và 9

10 s

   nên độ dày lơp hoạt tính 10m.

Trong laser GaAs, Zn được pha tạp để làm acceptor với nông độ 18 3

10 D n  cm và Te làm donor với nồng độ 18 3 10 D n  cm .

Điều kiện mật độ dòng ngưỡng

Laser diode bức xạ ra ánh sáng thông qua quá trình tái hợp, và đó chính là sự khác nhau cơ bản giữa qúa trình bức xạ tự phát của LED và bức xạ kích thích của laser. Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên hiện tượng đảo mật độ. Ban đầu ở điều kiện bình thường, khi không có điện áp đặt vào chuyển tiếp p-n, laser ở trạng thái bình thường cân bằng nhiệt, tức là không có hiện tượng xảy ra. Khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được bơm vào trong vùng hoạt động của laser. Các điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để phát sinh ra các photon. Tuy nhiên vì số lượng các điện tử và lỗ trống lúc này còn ít (vì dòng bơm chưa đủ lớn) không đủ để xảy ra môi trường mật độ đảo lộn, nên quá trình phát xạ ở đây là tự phát, laser hoạt động như LED. Khi dòng bơm vào tiếp tục tăng lên, nhiều hạt tải được đưa vào miền hoạt tính, cung cấp cho buồng cộng hưởng một số lượng photon đủ lớn và số photon này bị giữ lại trong buồng cộng hưởng, chưa kịp phát xạ ra khỏi laser. Chúng phản xạ qua lại hai thành của buồng cộng hưởng (chính là hai gương phản xạ), va chạm với các nguyên tử bán dẫn làm tăng mật độ hạt tải lên nhanh chóng và gây nên hiện tượng đảo mật độ. Quá trình phát xạ kích thích xảy ra và chiếm ưu thế hơn quá trình phát xạ tự phát, tín hiệu laser tăng mạnh và có sự đồng nhất về pha.

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 4.13. Điều kiện dòng ngưỡng của laser

Điều kiện ngưỡng của dòng để năng lượng đi qua miền hoạt tính có thể được khuếch đại lên:

2 2 2 8 1 ( ln ) t edn J R c l     

Ví dụ trong laser GaAs,

1 1 1 200cm , ( ln )R 20cm , 0.84 m n, 3.35,d 1 m l               thì dòng ngưỡng đạt 2 75 / t J  A cm .

Khi dòng nhỏ hơn giá trị ngưỡng, phổ bức xạ của GaAs vượt qua 1μm, khi giá trị dòng phun vượt qua giá trị ngưỡng thì cường độ bức xạ tăng đột biến kèm theo sự thu hẹp vạch phổ. Tuy nhiên độ rộng của phổ vẫn lớn hơn độ rộng vạch phát của laser khí và rắn rất nhiều do độ rộng vùng năng lượng trong tiếp xúc p-n qua lớn.

Laser tiếp xúc đồng thể và dị thể

Laser tiếp xúc đồng thể có mật độ dòng ngưỡng Jt quá cao. Jt còn tăng theo nhiệt độ nên laser chỉ có thể hoạt động ở chế độ xung. Hơn nữa, laser tiếp xúc đồng thể có đặc tính quang học nghèo, không thể giam giữ nhiều hạt tải. Nếu muốn Jt thấp:

Tiểu luận lý thuyết LASER - Tăng tỉ lệ phát xạ kích thích bằng cách giam giữ hạt tải trong một vùng hẹp hơn - Tăng hiệu quả buồng quang học bằng cách tạo ống dẫn sóng điện môi quanh vùng khuếch đại quang học (tăng mật độ photon phát bức xạ kích thích).

Cấu trúc laser tiếp xúc dị thể được tạo ra để khắc phục những điều trên.

Hình 4.14. Cấu trúc laser tiếp xúc đồng thể và dị thể

Xét laser cấu trúc dị thể kép có lớp chuyển tiếp gồm n-Ga1-xAlxAs|p-GaAs|p-Ga1- xAlxAs. Trong đó, p-GaAs là vùng hoạt động có độ dày dưới 1μm.

1. Hệ số khúc xạ của AlxGa1-xAs (n=3.4 với x=0.4) nhỏ hơn GaAs (n=3.6). Do chênh lệch hệ số khúc xạ, laser chỉ tập trung phát trong vùng GaAs. Vùng hoạt động được thu hẹp. Với cùng 1 mật độ dòng, mật độ điện tử trong vùng sẽ lớn hơn dẫn đến độ khuếch đại tăng.

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 4.15. So sánh hoạt động của chuyển tiếp đồng thể và dị thể kép

2. Bề rộng vùng cấm khác nhau (Eg (AlGaAs) > Eg(GaAs)). Khi phân cực thuận, chuyển tiếp sẽ hình thành rào ngăn cản electron và lỗ trống khuếch tán từ GaAs sang AlGaAs. Lỗ trống và điện tử bị nhốt trong vùng hoạt động GaAs. Photon sinh ra trong GaAs sẽ không bị hấp thụ bởi AlGaAs.

Tiểu luận lý thuyết LASER

Hình 4.17. Mức năng lượng của chuyển tiếp dị thể kép khi phân cực thuận

Vùng phát của laser thường là ở dạng vạch. Mỗi vạch chỉ rộng cỡ micromet và được tạo ra nhờ cấu trúc của Gain-guided laser và Index-guided laser.

Hình 4.18: Cấu trúc Gain-guided laser và Index-guided laser

Trong Gain-guided laser, lớp điện môi được phủ lên để ngăn cản dòng ở hai bên, dòng điện áp vào chỉ chạy trong một vùng hẹp ở giữa. Nhờ vậy chỉ có vùng này mới có thể tạo môi trường có mật độ đảo lộn để khuếch đại laser.

Trong Index-guided laser, vạch laser được tạo ra nhờ sự chênh lệch chỉ số khúc xạ giữa các lớp vật liệu. Lớp điện môi được phủ lên để ngăn cản dòng ở hai bên, dòng

Tiểu luận lý thuyết LASER điện áp vào chỉ chạy trong một vùng hẹp ở giữa. Vùng hoạt động được thu hẹp và được “chôn” giữa các lớp vật liệu có chỉ số khúc xạ khác nhau.