Connaissez-vous les lasers à semi-conducteur ? (Partie 1)

1. Lasers à semi-conducteurdéfinition

Nous appelons généralement les matériaux qui ont une mauvaise conductivité électrique tels que le charbon, les cristaux artificiels, l'ambre et la céramique commeisolateurs.

Les métaux qui conduisent bien l'électricité, tels que l'or, l'argent, le cuivre, le fer, l'étain et l'aluminium, sont appelésconducteurs.

A température ambiante, les propriétés conductrices des matériaux entre conducteurs et isolants sont appeléessemi-conducteurs.

Par rapport aux conducteurs et aux isolants, la découverte des matériaux semi-conducteurs fut relativement tardive, et il fallut attendre les années 1930 pour que l'existence des semi-conducteurs soit véritablement reconnue par la communauté académique lorsque les techniques de purification des matériaux furent améliorées.

2. Historique du développement

En 1833, le scientifique britannique Faraday, le père de l'électronique, découvrit pour la première fois que la résistance du sulfure d'argent à un changement de température était différente de celle des métaux ordinaires. Dans des circonstances normales, la résistance des métaux augmente avec l'augmentation de la température, mais Baradei a constaté que la résistance des matériaux de sulfure d'argent diminue avec l'augmentation de la température. Il s'agit de la première découverte d'un phénomène semi-conducteur.

En 1839, Becquerel de France a découvert qu'une jonction entre un semi-conducteur et un électrolyte produit une tension lorsqu'elle est exposée à la lumière. C'est ce qu'on a appelé l'effet photovoltaïque. C'est la deuxième caractéristique des semi-conducteurs qui a été découverte.

En 1873, Smith d'Angleterre a découvert l'effet de photoconductance de l'augmentation de la conductivité des matériaux cristallins de sélénium sous la lumière, qui est une autre caractéristique des semi-conducteurs. Bien que ces quatre effets de semi-conducteurs (les vestiges de l'effet Hall -- la découverte de quatre effets associés) aient été découverts avant 1880, le terme semi-conducteur a été utilisé pour la première fois par Coneyberg et Weiss probablement en 1911. Ce n'est qu'en décembre 1947 que Bell LABS a achevé la caractérisation des quatre propriétés des semi-conducteurs.

En 1874, Braun en Allemagne a observé que la conductance de certains sulfures est liée à la direction du champ électrique appliqué, c'est-à-dire que sa conduction est directionnelle, et lorsqu'une tension directe est appliquée aux deux extrémités, elle est conductrice ; Si la polarité de la tension est inversée, elle ne conduira pas l'électricité. C'est l'effet intégral du semi-conducteur et la troisième caractéristique du semi-conducteur. La même année, Schuster découvre également l'effet redresseur du cuivre et de l'oxyde de cuivre.

Beaucoup de gens se demandent pourquoi il a fallu si longtemps pour que les semi-conducteurs soient reconnus. La raison principale était que les matériaux n'étaient pas purs. Sans de bons matériaux, de nombreux problèmes liés aux matériaux sont difficiles à expliquer.

3. Classification des lasers à semi-conducteurs

La composition chimique peut être divisée en éléments semi-conducteurs et semi-conducteurs composés en deux catégories.

Le germanium et le silicium sont couramment utilisés comme semi-conducteurs élémentaires ; Les semi-conducteurs composés comprennent les composés des groupes Ⅲ et Ⅴ (arséniure de gallium, phosphure de gallium, etc.), les composés des groupes Ⅱ et Ⅵ (sulfure de cadmium, sulfure de zinc, etc.), les oxydes (manganèse, chrome, fer, oxydes de cuivre) et les solutions solides. composé de composés du groupe ⅲ-ⅴ et de composés du groupe ⅱ-ⅵ (gallium aluminium arsenic, gallium arsenic phosphore, etc.).

Selon leur technologie de fabrication, les semi-conducteurs peuvent être classés en dispositifs à circuits intégrés, dispositifs discrets, semi-conducteurs photoélectriques, logistique, analogique, mémoire et autres catégories. D'une manière générale, ceux-ci seront divisés en petites catégories.

4. Caractéristiques des lasers à semi-conducteur

Cinq caractéristiques des semi-conducteurs : dopage, sensibilité thermique, photosensibilité, caractéristiques de température de résistivité négative et caractéristiques du redresseur.

Dans un semi-conducteur formant une structure cristalline, la conductivité électrique peut être contrôlée en ajoutant artificiellement des éléments d'impuretés spécifiques. Dans des conditions de rayonnement lumineux et thermique, sa conductivité change évidemment.

5. Principe de fonctionnement des lasers à semi-conducteur

Semi-conducteur intrinsèque : Un semi-conducteur qui ne contient ni impuretés ni défauts de réseau est appelé semi-conducteur intrinsèque. À des températures extrêmement basses, la bande de valence du semi-conducteur est pleine bande. Après excitation thermique, une partie des électrons de la bande de valence traversera la bande interdite et entrera dans la bande vide avec une énergie plus élevée. La bande de conduction devient après la présence d'électrons dans la bande vide, et l'absence d'un électron dans la bande de valence forme une lacune chargée positivement, appelée trou.

La conduction du trou n'est pas un mouvement réel, mais un équivalent. Lorsqu'un électron conduit l'électricité, des trous de charge égale se déplacent dans la direction opposée. Ils génèrent un mouvement directionnel sous l'action d'un champ électrique externe et forment des courants macroscopiques, appelés respectivement conduction électronique et conduction de trou.

Ce type de conduction hybride due à la génération de paires électron-trou est appelée conduction intrinsèque. Les électrons de la bande de conduction tomberont dans le trou et la paire électron-trou disparaîtra, ce que l'on appelle la recombinaison. L'énergie libérée lors de la recombinaison devient un rayonnement électromagnétique (luminescence) ou une énergie de vibration thermique (échauffement) du réseau. A une certaine température, la génération et la recombinaison de paires électron-trou existent en même temps et atteignent l'équilibre dynamique. A ce moment, le semi-conducteur a une certaine densité de porteurs et a donc une certaine résistivité. Lorsque la température augmente, davantage de paires électron-trou sont générées, la densité de porteurs augmente et la résistivité diminue. Les semi-conducteurs purs sans défauts de réseau ont une résistivité élevée et peu d'applications pratiques.

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