半導体レーザーの構造と動作原理の解析。
注入型ホモ接合レーザーの動作原理を紹介するために、ガリウムヒ素 (GaAs) レーザーを例として使用します。
1. 注入型ホモ接合レーザーの発振原理。半導体材料自体が特殊な結晶構造と電子構造を持っているため、レーザーメカニズムの形成には独自の特殊性があります。
（１）半導体のエネルギーバンド構造。半導体材料は主に結晶構造です。多数の原子が規則的に密に結合して結晶になると、結晶内の価電子は結晶エネルギーバンドに入ります。価電子が位置するエネルギーバンドは価電子帯（より低いエネルギーに対応）と呼ばれます。価電子帯に最も近い高エネルギーバンドは伝導帯と呼ばれ、エネルギーバンド間の空きスペースは禁制帯と呼ばれます。外部電場が加えられると、価電子帯の電子は伝導帯にジャンプし、そこで自由に移動して電気を伝導することができます。同時に、価電子帯の電子の損失は正に帯電した正孔の出現に相当し、この正孔は外部電場の役割を果たし、伝導の役割も果たすことができます。したがって、価電子帯と伝導帯の電子の正孔は伝導の役割を持ち、総称してキャリアと呼ばれます。
（２）ドープ半導体とpn接合。不純物を含まない純粋な半導体は、真性半導体として知られています。真性半導体に不純物原子がドープされている場合、伝導帯の価電子帯の下と上に不純物エネルギーレベルが形成され、それぞれドナーエネルギーレベルと主エネルギーレベルとして知られています。
支配的なエネルギー準位を持つ半導体は n 型半導体と呼ばれ、支配的なエネルギー準位を持つ半導体は p 型半導体と呼ばれます。室温では、熱によって n 型半導体を作ることができ、ほとんどのドナー原子が解離し、電子が伝導帯に励起されて自由電子になります。p 型半導体のホスト原子のほとんどは価電子帯の電子を捕獲し、価電子帯に正孔を形成します。したがって、n 型半導体は主に伝導帯の電子によって伝導され、p 型半導体は主に価電子帯の正孔によって伝導されます。
半導体レーザーに用いられる半導体材料はドーピング濃度が高く、n型不純物原子数は一般に(2-5) × 1018cm-1、p型は(1-3) × 1019cm-1である。
半導体材料の一部において、p 型領域から n 型領域に急激に変化する領域は pn 接合と呼ばれます。その界面に空間電荷領域が形成されます。n 型半導体バンドの電子は p 領域に拡散する必要があり、p 型半導体価電子バンドの正孔は n 領域に拡散する必要があります。このように、構造に近い n 型領域はドナーであるため正に帯電し、接合に近い p 型領域はレシーバーであるため負に帯電します。n 領域から p 領域に向かう界面に電界が形成され、自己形成電界と呼ばれます。この電界は、電子と正孔の継続的な拡散を防ぎます。
（３）ｐｎ接合の電気注入励起メカニズム。ｐｎ接合が形成されている半導体材料に正のバイアス電圧を加えると、ｐ領域が正極に接続され、ｎ領域が負極に接続される。明らかに、正電圧の電界とｐｎ接合の自己構築電界は逆方向であり、結晶上の自己構築電界が弱まり、電子の拡散運動が阻害されるため、ｎ領域の自由電子は正電圧の役割を果たすだけでなく、ｐｎ接合を通ってｐ領域への定常拡散流となり、接合領域には大量の伝導帯電子と価電子帯電子が存在する。接合領域には大量の伝導帯電子と価電子帯正孔が存在し、それらが注入されて複合体を形成し、伝導帯電子が価電子帯にジャンプすると、余分なエネルギーが光の形で放出される。これが半導体電界発光のメカニズムであり、この自発的な複合発光は自然放射と呼ばれます。
pn接合でレーザー光を生成するには、構造内に粒子反転分布状態を形成する必要があり、高濃度ドープ半導体材料を使用する必要があり、pn接合への注入電流が十分に大きいこと（30、000A / cm2など）が必要です。このようにして、pn接合の局所領域で、伝導帯の電子が価電子帯の正孔の数よりも多い反転分布状態を形成でき、これにより励起複合放射が生成され、レーザー光が発せられます。
2. 半導体レーザーの構造。その形状とサイズは低電力半導体トランジスタとほぼ同じで、シェル内に複数のレーザー出力ウィンドウがあるだけです。層状のp領域とn領域の接合領域で挟まれ、接合領域の厚さは数十マイクロメートル、面積は約1mm2未満です。
半導体レーザー光共振空洞は、pn接合面が自然溶液表面（110面）に垂直な構成を採用しており、反射率が35であり、レーザー発振を起こすのに十分です。反射率を上げる必要がある場合は、結晶表面にシリカ層をメッキし、さらに金属銀膜層をメッキすることで、95％以上の反射率を得ることができます。
半導体レーザーに順方向バイアス電圧を加えると、接合領域内の粒子の数が逆転して複合化します。
