5.3. Напівпровідникові лазери

Напівпровідниковий лазер (оптичний квантовий генератор) – це випромінювальний напівпровідниковий прилад, який перетворює електричну енергію або енергію некогерентного випромінювання в енергію когерентного випромінювання.

У напівпровідникових лазерах випромінювання, як і у світлодіодів здійснюється рекомбінацією електронів і дірок. Однак ця рекомбінація є не спонтанною, а вимушеною (стимульованою).

Для формування когерентного випромінювання потрібно створити енергетичний стан з інверсною заселеністю (верхні енергетичні рівні заповнені більше, ніж нижні). Середовище, в якому підтримується такий стан називається активним середовищем. В напівпровідникових лазерах для створення такого середовища n-p-перехід вмикають в прямому напрямку. Чим більший струм проходить через n-p-перехід, тим з більшим запасом виконується умова створення активного середовища.

Потрібно також створити умови для внутрішнього підсилення випромінювання, коли створення фотонів за рахунок вимушеного випромінювання переважає втрати випромінювання на поглинання а розсіювання. Таке підсилення оптичного випромінювання, яке ґрунтується на використанні вимушеної рекомбінації, називають лазерним підсилюванням.

Для реалізації лазерного підсилення потрібно забезпечити проходження кожного кванта світла в площині n-p-переходу декілька разів. Для цього в лазерах формують оптичні резонатори, що складаються з двох дзеркал. Для виведення випромінювання дзеркала роблять прозорими.

В напівпровідникових лазерах дві протилежні грані монокристалу роблять строго паралельними і ретельно полірують. Після багаторазового відбиття від полірованих торців n-p-переходу світло виходить з напівпровідника. Кванти світла, які рухаються строго перпендикулярно до торців кристалу, можуть багато разів пройти через активну область з інверсною заселеністю і тим самим створити велику лавину світла.

Рис. 5.29 Будова напівпровідникового лазера:

1 – поліровані поверхні кристалу напівпровідника;

2 – верхній електрод; 3 – область з електропровідністю p-типу; 4 – активна область з інверсною заселеністю; 5 - область з електропровідністю n -типу; 6 – нижній електрод; 7 – випромінювання.

Для виготовлення напівпровідникових лазерів використовують арсенід галію, арсенід-фосфід галію, арсенід індію, фосфід індію. Типовий лазер виготовляють у формі прямокутного паралелепіпеда (рис. 5.29. ). ККД напівпровідникового лазера досягає 70 %.

Лазерне випромінювання високохроматичне – це високоякісна форма енергії. Лазерні генератори широко використовують в системах обробки та передачі інформації, в інформаційно-вимірювальних системах, лініях оптоелектронного зв'язку, технологічній електроніці, медицині.

5.3.4 Фотоелектричні прилади

Фотоелектричні напівпровідникові прилади (фотоелементи) – це прилади, які перетворюють енергію оптичного випромінювання в електричну енергію. До фотоелементів відносять фотодіод, фоторезистор, фототранзистор і фототиристор.

Фотодіод – це напівпровідниковий прилад принцип дії якого оснований зростанні зворотнього струму n-p-переходу при його освітленні (рис. 5.30). Фотодіод застосовується без додаткового джерела живлення, оскільки сам є генератором стуму, причому сила стуму пропорційна освітленості.

Рис. 5.30 Умовне позначення та вмикання фотодіоду

Фотодіоди використовують як швидкодіючі чутливі елементи оптичних приймачів та приймальних модулів волоконно-оптичних ліній зв'язку, координатно-чутливі елементи автоматики, первинні перетворювачі освітленості.

Фотодіоди з великою площею n-p-переходу, призначені спеціально для отримання електричної енергії із світлової, називають сонячними батареями.

Фоторезистор – це напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від освітленості (рис. 5.31). Такі прилади виготовляють на основі сульфіду або селеніду кадмію. При збільшеності освітленості опір фоторезистора зменшується тому, що зростає кількість вільних носіїв заряду за рахунок генерації нових вільних носіїв заряду.

Рис. 5.31 Будова фоторезистора

Рис. 5.32 Умовне позначення та схема вмикання фоторезистора

Фототранзистор – це напівпровідниковий прилад у якого n-p-перехід колектор-база є фотодіодом (рис. 5.33).

Рис. 5.33 Умовне позначення фототранзистора

Якщо в одному корпусі світло діод і фотоелемент, то вхідний струм можна перетворювати у вихідний повним гальванічним розділенням кіл. Такі елементи називають оптронами або оптопарами (рис.5.34).

Рис. 5.34 Умовне позначення оптопари

Фототиристор – це напівпровідниковий прилад у якого напруга вмикання зменшується зі збільшенням освітленості (рис. 5.35).

Рис. 5.35 Умовне позначення фототиристора