4.14 다이오드 레이저 1

4.14.0  다이오드 레이저

 

 > 레이저는 가스와 유리에 이르기까지 여러 재료들로 만들 수 있다. 

 

 > 가스 내에서 전기 방전을 일으키거나 강한 빛을 주사하는 방법이 사용된다. 

 

 > 다이오드 전류에 의해 전력이 공급되는 다이오드 레이저는 가장 작고 저렴한 레이저이다. 

 

 > LED와 마찬가지로 직접 갭 반도체를 사용한다. 

 

4.14.1 광증폭 

> 레이저 동작은 광 증폭을 필요로 한다.

 

 > 다이오드에 광자가 가해지면 전자 정공 쌍을 생성한다. 

 

 > 전자가 전도 대역에서 가전자 대역으로 떨어질 때 광자가 랜덤 한 방향으로 방출된다. 

 

 > 이것을 자발적 방출이라고 한다. 

 

 > 적절한 에너지를 갖는 광자가 입사하면 전도 대역의 전자를 자극하여 두 번째 광자를 방출할 수 있다.

 

 > 이것을 유도 방출이라고 부른다. 

 

 > 일반적인 레이저는 자발적 방출로 부족하다.

 

 > 유도 방출에 의해 증폭된 광은 진행방향이 동일하고 파장의 순도가 높아 레이저 동작의 기초가 된다. 

 

 > 낮은 에너지 상태에서 전자가 점유할 확률이 크면 유도 방출보다 흡수가 더 높다. 

 

 > 높은 에너지 상태에서 전자가 많으면 즉 점유 반전 조건이 만족되면 빛은 증폭된다. 

그림 1. 광 흡수와 증폭

 

 

 > P+N+ 접합에 전파하는 광선빔을 고려해보면 Ec보다 Ev 근처에서 전자가 점유할 확률이 높다. 

 

 > 정바이어스를 가하면 Efn - Efp > Eg가 만족(점유 반전)이 되면서 광선 빔은 증폭된다. 

 

 > 양자 웰이 PN접합 내 혹은 그 근처에 삽입되면 더 쉽게 점유 반전이 일어난다. 

 

 > 양자 웰은 두 개의 반도체 사이에 상대적으로 좁은 갭을 갖는 얇은 반도체 층이 샌드위치처럼 끼어있을 때 만들어진다. 

 

 > 양자 웰은 좁은 영역에 한정하여 점유 반전을 일으킨다. 

 

 > 작은 체적을 갖기 때문에 점유 반전을 달성하기 위한 과잉 캐리어 농다가 낮다.

 

 > 외부로 공급되는 전압이 낮게되며 문턱 전압이 낮아진다. 

 

그림 2. 양자 웰의 점유 반전

 

 

 

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)