Pojawiły się głosy na blogach, że dział Nauka czyta dużo fizyków, ale boją się pisać notki dotyczące nauki. Ja mogę być takim przykładem, bo czytam dużo a pisze mało. Po części wynika to z nawału pracy w laboratorium, a po części z tego że nie jestem dydaktykiem. Nigdy nie uczyłem się jak wykładać i przekazywać wiedzę, bo nie było mi to potrzebne, więc teraz faktycznie mam stracha pisząc notki naukowe, ze względu na to, że nie mam doświadczenia i mogę po prostu zrobić to źle. O ile ze spektrometrią masową było to łatwe bo się nią zajmuję, o tyle w przypadku niebieskiego lasera półprzewodnikowego może być trudniej, bo tylko wykonuję pomiary zawartości pierwiastków w strukturach laserowych. Mimo wszystko spróbuję przybliżyć czytelnikom budowę takiego lasera.
Dodatkowym powodem, dla którego chcę przybliżyć ten temat, jest opis działania diody półprzewodnikowej na blogu p. Waldemara na którym zostałem zbanowany.
Według jego teorii wygląda to tak, cytuję:
Ponieważ wiemy, że prądem elektrycznym jest uporządkowany ruch pakietów elektrino dookoła elektroujemnego przewodnika
i dalej podsumowanie opisu działania diody
Rezultat jest do przewidzenia: jak prąd płynie od strony Si + B, to grubość materiału stanowiącego dla niego opór jest najmniejsza. Jeżeli prąd puścić od strony Si + As, to te dwie warstwy (Si + As i Si) stanowią dla niego skuteczny opór.
To w takim razie jak to w końcu jest, "pakiety elektrino" płyną
dookoła przewodnika czy przez przewodnik?
W rzeczywistości to elektrony oczywiście płyną przez strukturę półprzewodnikową, a w ogólności laser półprzewodnikowy zbudowany jest tak, żeby elektron płynąc przez tą strukturę, w pewnym momencie oddał energię czyli wypromieniował foton o konkretnej długości fali.
W szczególności struktura lasera jest to zestaw „poukładanych” jedna na drugiej warstw kryształów półprzewodnikowych o ściśle określonym składzie pierwiastkowym.
Przykład takiej „kanapki” półprzewodnikowej przedstawiony jest na poniższym rysunku.
Warstwa taka jest wytwarzana różnymi metodami epitaksjalnymi, ale żeby nie zaciemniać tematu nie będę się nad nimi rozwodził. Napisze tylko, że taka struktura rośnie od dołu do góry, czyli od podłoża.
Zajmijmy się teraz poszczególnymi warstwami takiej struktury. Łatwo zauważyć, że zbudowana jest ona na bazie półprzewodnika jakim jest GaN (azotek galu). Nie będziemy się zagłębiać w szczegóły budowy kryształu takiego półprzewodnika, będziemy chcieli tylko wiedzieć, że do wiązania Ga i N wchodzą
3 elektrony walencyjne* Ga (Ga jest z grupy III układu okresowego)
5 elektronów walencyjnych N (N jest z grupy V układu okresowego)
(*elektrony walencyjne – elektrony znajdujące się na powłokach znajdujących się najdalej od jądra atomowego)
dlatego potocznie o takich półprzewodnikach mówi się – półprzewodniki typu III-V.
Co teraz stanie się w takim związku, jeżeli domieszkujemy go (dodamy do niego podczas wzrostu) około 1 promila magnezu Mg. Magnez jest z drugiej grupy układu okresowego więc ma
2 elektrony walencyjne.
Magnez wbuduję się w niektóre miejsca gdzie powinien znaleźć się Ga i do wiązania z N dostarczy tylko dwa elektrony, czyli jedno miejsce po elektronie zostanie puste. Otrzymamy wtedy tzw. „dziurę” (ang. hole). Określona koncentracja takiej domieszki (ok. 1e20 at/cm3) da nam półprzewodnik typu P. Dziury w takim półprzewodniku będą się poruszać w odwrotnym kierunku niż elektrony.
(Łatwo wyobrazić sobie ten ruch patrząc na łańcuch koralików, w którym brakuje jednego koralika. Zajmowanie pustego miejsca po koraliku przez kolejne koraliki daje ruch tego pustego miejsca w przeciwną stronę jak na rysunku poniżej)
Inaczej będzie w przypadku dodania do GaN domieszki krzemu Si. Ponieważ Si jest z grupy IV układu okresowego i ma
4 elektrony na powłoce walencyjnej,
wiążąc się z azotem N pozostawi jeden niezwiązany elektron. Tym samym otrzymamy półprzewodnik typu N - (N nie od azotu tylko N jak negative).
Teraz zastanówmy się, co się stanie w przypadku dodania do azotku galu sporej dawki (rzędu kilku do kilkudziesięciu procent) glinu Al lub indu In. Oba te pierwiastki są z tej samej grupy co Ga więc maja po 4 elektrony walencyjne. Pierwiastki te dodane do GaN nie będą wprowadzać dodatkowych elektronów czy dziur (miejsc wolnych po elektronie), będą natomiast zmieniać tzw. przerwę energetyczną półprzewodnika. Znaczy to dokładnie tyle, że elektronom z powłoki walencyjnej będzie trudniej lub łatwiej niż w przypadku czystego GaN oderwać się od konkretnego jądra atomowego i stać się elektronem przewodzącym prąd.
W przypadku
AlGaN przerwa energetyczna wzrośnie
w stosunku do GaN, czyli elektron z powłoki walencyjnej będzie musiał otrzymać więcej energii, żeby stać się elektronem przewodzącym. W przypadku InGaN będzie odwrotnie
przerwa energetyczna zmaleje.
Teraz jeżeli zbudujemy strukturę, taką jak na pierwszym rysunku, poszczególne pasma energetyczne w takiej strukturze będą wyglądały tak jak na rysunku poniżej.
Łatwo zauważyć, że odległość energetyczna między pasmem walencyjnym a przewodnictwa jest największa w warstwie AlGaN, potem w warstwie GaN, a najmniejsza w warstwie InGaN która tworzy studnie kwantową.
Jeżeli teraz podłączymy zasilanie do takiej struktury w ten sposób, że MINUS do warstwy GaN:Si, oraz plus do warstwy GaN:Mg, elektrony będą płynęły tak jak pokazują strzałki na rysunku w wpadając do studni kwantowej będą „zajmowały miejsca” – rekombinowały z dziurami znajdującymi się w warstwie GaN:Mg, powodując wyświecenie fotonu.
Kluczową rolę odgrywa w tej strukturze studnia kwantowa, ponieważ regulując jej parametry podczas wzrostu struktury tj:
- grubość warstwy (szerokość studni)
- zawartość In w InGaN oraz zawartość Al w AlGaN (głębokość studni)
możemy uzyskać, określoną częstotliwość wyświecanego fotonu.
Do uzyskania akcji laserowej potrzebne są oczywiście jeszcze odpowiednie lustra, ale ich budową nie będę się tutaj zajmował.
Pozdrawiam
rzech
PS. Proszę ewentualnych specjalistów od laserów półprzewodnikowych, o nie rzucanie mi się do gardła. Chciałem przedstawić temat jak najbardziej zrozumiale, nie wdając się w zaawansowaną fizykę czy technologię.
