NỘI DUNG CHÍNH
Đặt vấn đề
Cấu tạo
Nguyên lý hoạt động
Tiếp xúc p-n
Phương pháp chế tạo
Ứng dụng


Đặt vấn đề

 Ánh sáng đã có từ lâu khi mà sinh vật còn chưa xuất hiện trên
thế giới này. Thế giới ánh sáng rất bao la và huyền diệu. Đó là
ánh sáng của Mặt Trời, các vì sao, của ngọn lửa và ánh
đèn...Ánh sáng đã đem lại sự sống cho con người.
 Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển có nhiều nguồn sáng
mà con người tạo ra phục vụ cho nhu cầu ngày càng tăng của
mình. Một trong những thành tựu nổi bật của thế kỷ XX đó là
việc tạo ra laser (phát minh năm 1960).


Đặt vấn đề
 Laser rắn thường hoạt động với một tần số hay một vài tần số.
 Laser khí, đặc biệt là laser khí phân tử có thể phát ra năng
lượng gồm một số lớn các bước sóng riêng biệt nằm trong một
phổ hẹp.
 Bức xạ của chúng không thể biến thiên và điều khiển một cách
liên tục được, hay ta thường nói là không điều hưởng được


Đặt vấn đề

 Laser bán dẫn ra đời là sự khắc phục nhược điểm đó. Laser bán
dẫn có kích thước nhỏ, chiều dài của laser chỉ cỡ 0,1mm và dễ
dàng điều biến ánh sáng phát ra bằng cách điều khiển điện áp
nuôi diode laser.
 Hiệu suất của laser bán dẫn rất cao, có thể đạt đến 70%. Trong
khi đó, hiệu suất của laser rắn cỡ 5-7%, laser khí cỡ 20%.


Đặt vấn đề
 Laser bán dẫn được cấu trúc từ các lớp tiếp xúc p-n. Nhược
điểm của tiếp xúc p-n thông thường bị ảnh hưởng của nhiệt độ.
Nhiệt độ càng cao thì năng suất bức xạ ánh sáng càng kém. Do
đó để tăng công suất bức xạ người ta hạ nhiệt độ bán dẫn xuống
nhiệt độ của Heli lỏng (4,2K), nhiệt độ của Nitơ lỏng (77K).
 Để giải quyết được vấn đề trên người ta chế tạo laser bán dẫn
với cấu trúc nhiều lớp phức tạp. Cấu trúc này là những lớp tiếp
xúc dị thể.


LASER BÁN DẪN - CẤU TẠO
1. Định nghĩa
 Laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation)
là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức .
2.Cấu tạo
 Một laser bán dẫn có cấu tạo là một tiếp xúc p-n có dạng hình
hộp, chiều rộng cỡ 1-3mm, chiều cao cỡ 0,05mm đến 0,1mm, bề
dày lớp tiếp xúc d cỡ 2 micomet .
 Hai bên phẳng và song song với nhau có vai trò là hai gương
phản xạ trong giao thoa kế Fabry-Perot.



LASER BÁN DẪN - CẤU TẠO


LASER BÁN DẪN - ĐẶC ĐIỂM
 Laser bán dẫn: chuyển mức liên quan với cấu trúc vùng năng lượng.
 Laser thông thường: chuyển mức năng lượng xảy ra giữa các mức
rời rạc.
 Kích thước nhỏ (chiều dài cỡ 0,1mm), vùng hoạt tính rất hẹp, do đó
độ phân kỳ của chùm tia laser bán dẫn lớn hơn nhiều so với laser rắn
và laser khí.
 Áp suất, nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc phổ của laser
 Laser bán dẫn, hiệu ứng laser được tạo bởi dòng qua tiếp xúc p-n do
đó dễ điều biến bởi dòng và thời gian sống của photon rất bé nên có
thể điều chế ở tần số cao.


LASER BÁN DẪN - NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG
 Một laser hoạt động được cần có các điều kiện sau :
 Cần có một môi trường hoạt tính.
 Dùng các phương pháp bơm để làm cho môi trường đó trở
thành môi trường nghịch đảo mật độ đảo lộn.
 Cần dùng một cơ cấu để khuếch đại bức xạ phát ra. Cơ cấu
này gọi là buồng cộng hưởng.


LASER BÁN DẪN- NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG
 Môi trường hoạt tính là môi trường bao gồm các nguyên tử

mà trong cấu trúc của chúng có sẵn các mức năng lượng nửa
bền hoặc có khả năng tạo ra các mức năng lượng nửa bền.
Môi trường hoạt tính có khả năng phát ra bức xạ Laser.
 Bơm là dùng một tác nhân nào đó để kích thích các nguyên
tử tạo ra môi trường mật độ đảo lộn.
 Môi trường mật độ đảo lộn là môi trường chứa các nguyên tử
ở trạng thái kích thích và trong các nguyên tử kích thích này
số electron ở mức năng lượng cao nhiều hơn số electron ở
mức năng lượng thấp


LASER BÁN DẪN- TIẾP XÚC P-N



1. Đặc điểm chung
Ưu điểm:
_ Kích thước rất nhỏ
_ Hệ số tác dụng có ích rất lớn
_ Có khả năng tạo dãy sóng phát khá rộng
Nhược điểm:
_ Bậc đơn sắc và độ định hướng kém
_ Công suất phát phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ
Thành phần hợp kim của phức chất bán dẫn
biến đổi độ dài sóng bức xạ của laser


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n
Miền hoạt tính


Không có trường ngoài

Khi có trường ngoài

_ Miền hoạt tính chứa đồng thời điện tử và lỗ trống
có độ dày Dτ (độ dài khuếch tán)
bức xạ có tần số ∆E < hν < (µ C − µ V ) được khuếch đại
khi đi qua miền này.


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n
Tính chất định hướng
_Tính chất định hướng của chùm laser chủ yếu do nhiễu xạ.
2λ
_ Độ mở rộng của chùm tia: Ω =
d
_ Sự phân bố cường độ bức xạ theo góc do nhiễu xạ:
 πd  
sin  θ
 λ  


I(θ) ~
θ2
2


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n
Điều kiện tự kích
Hệ số khuếch đại lượng tử của môi trường hoạt tính
1
1
G = Gn +
ln
2L r1r2
hệ số khuếch đại
ngưỡng

Khoảng cách
giữa 2 gương

máy phát tự kích khi: G ≥ G n


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n
Ưu điểm:
_ Hệ số tác dụng có ích lớn.
_ Kích thước nhỏ.
_ Phương pháp điều chế bức xạ lối ra đơn giản.

Nhược điểm:
_ Do kích thước nhỏ nên công suất không lớn.
_ Khó khăn trong chế tạo lớp tiếp xúc p-n có Eg lớn.
_ Không nhận được chùm laser trong dãy sóng ngắn.


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.2 Kích thích bằng chùm điện tử
_ Kích thích: chùm điện tử nhanh, năng lượng ~ 50keV


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.2 Kích thích bằng chùm điện tử
Điện tử mất năng lượng khi “oanh tạc” lên bán dẫn
Kích thích

Điện tử từ vùng HT lên các mức cao của VD: E > ∆E
Va chạm

Nguyên tử của mạng tinh thể
Kích thích

Điện tử mới từ vùng HT lên VD
Quá trình chuyển điện tử lên VD được phát triển như
“thác lũ”


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.3 Bơm quang học:
Kích thích một photon

_ Dùng ánh sáng kích thích
có cường độ lớn
_ Năng lượng photon: hν > ∆E


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.3 Bơm quang học:
Kích thích hai photon
1
_ Năng lượng photon: hν ≥ ∆E
2
hấp thụ đồng thời 2 phonton
_ Với laser GaAs: dùng laser Nêôđim để bơm (độ xuyên
sâu của bức xạ: 0,3mm ; hệ số tác dụng có ích: 1%).
Nhược điểm:
_ Nguồn bơm phải có cường độ rất lớn. (Laser GaAs:
cường độ ngưỡng của bức xạ bơm: 16MW/cm2)


2. Phương pháp kích thích laser bán dẫn
2.3 Bơm quang học:


2. Tiếp xúc dị thể (Heterojunction)
E0
ϕ2

Tiếp xúc dị thể tạo
thành từ hai bán dẫn có
độ rộng vùng cấm khác

nhau.

Ec2
EF2

Ec2

A2

ϕ1
∆Ec

A1

∆Ev

Mô hình năng lượng của hai bán
dẫn có vùng cấm khác nhau.

Ec1
EF1
Ev1