해피레포트 - [현대물리학] 반도체 레이저 다이오드에 대해

카테고리 : 레포트 > 공학,기술계열 파일이름 :[현대물리학] 반도체 레이저 다이오드.hwp 문서분량 : 5 page 등록인 : leewk2547 문서뷰어 : 한글뷰어프로그램 등록/수정일 : 12.06.13 / 12.06.13 구매평가 : 다운로드수 : 1 판매가격 : 1,500 원

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보고서설명
레이저 다이오드(laser diode :LD)와 같은 말이며, 반도체 내에서 전자의 광학천이에 의한 광자의 유도방출을 이용한 광파의 발진기 및 증폭기를 총칭하는 말이다. 다시 말하자면 반도체 레이저는 p-n 접합 다이오드를 사용하며, pn접합 다이오드에 순방향 바이어스(순방향 전류)를 인가하면 pn접합부의 전도대에 있는 전자와 가전자대에 있는 홀(정공)의 재결합이 일어난다. 이때 이 재결합을 하면서 p형측에서 감소한 에너지만큼 유도방출이 일어나고 이 유도방출에 의해 coherence한 레이저광이 방출하게 된다. 반도체 레이저는 광방출 다이오드(LED)개발 직후인 1962년에 발명되었고 그 후에 여러 가지의 레이저 다이오드들이 개발이 되었다. 주로 사용하는 소재는 GaAs, GaAlAs, InGaAsP 등이며 이 반도체 레이저는 방출된 빛이 단색광이며 높은 지향성과 높은 휘도, 소형, 고효율은 특성 때문에 오늘날 광원으로 널리 사용되고 있다.

본문일부/목차
반도체 레이저의 기본 원리는 옆의 그림과 같다. 전도밴드(conduction band)와 원자가밴드(valence band)의 두 개의 에너지 밴드 사이에 에너지 차이가 존재하는데 p형과 n형 반도체의 접합사이에 전기적 전압(순방향 전압)을 걸어주면 n형 반도체의 전자가 p형 반도체의 홀과 p-n접합하는 부분에서 재결합하면서 빛을 발생시키게 된다. 전체적으로는 이런 작용으로 레이저광을 발생시키는데 좀 더 자세하게 그 원리를 살펴보면 다음과 같다. 반도체 레이저는 전도대로부터 가전자대로의 전자의 천이에 따른 발광을 이용하는데 이를 위해 p-n접합에 큰 순방향전류를 인가하여 캐리어를 주입시키면 전도대에는 다량의 전자가, 가전자대에는 홀이 발생하여 반전분포(음온도상태)가 생긴다. “반전분포”란 높은 에너지 준위에 있는 원자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 원자의 수보다 많이 있� 경우를 말한다. 이와 같이 접합에 캐리어를 주입하여 여기시키는 반도체 레이저를 접합형 레이저라고 하며 이 경우에 전도대의 전자가 주파수 v의 빛을 내며 가전자대로 천이할 때 양쪽의 에너지대에서 같은 파수 k를 가지면 직접천이가 일어나며 천이확률도 최대가 된다. 직접천이는 GaAs, GaSb, InSb 및 InP등과 같은 반도체 해당하며 재결합으로 강한 빛을 발하여 레이저 작용에 효율적이다. 반면 Si이나 Ge에서는 그림2와 같이 가전자의 상단=0 이지만 전도대의 하단은 k=0이 아닌 점이 있어서 접합부에서 전자가 가전자대로 천이하려면 운동량보존법칙으로부터 k의 차이에 해당하는 운동량을 주위의 결정격자 진동으로부터 받아 간접천이를 하여야한다. 이 때문에 간접천이는 < 그림 2.전자의 천이 > 천이확률이 매우 적고 재결합에 의한 형광이 매우 약해 레이저 작용에 적합하지 않다. 따라서 높은 효율의 반도체 레이저를 실현하기 위해서는 아래 그림3와 같이 직접 천이형 반도체 GaAs의 pn접합면과 직교하는 두 면에 평행하게 반사경을 두어 광 공진기를 만들고 순방향 바이어스(순방향 전류)를 인가해준다. 이때 전류밀도가 낮을 경우는 발광 다이오드와 같은 발진을 하게 되여 자연방출에 의해 넓은 스펙트럼을 갖을 것이고 전류 밀도가 어느 정도 이상이면 급격하게 발광 강도가 세게 되어 폭이 좁은 예리한 레이저 광을 얻게 된다. 이와 같이 레이저 발진이 시작할 때의 전류를 한계전류하는데 순방향 전류를 인가할 때 한계 전류 이하에서는 광출력이 서서히 증가하는 자연 방출이 생겨 LED모드의 발광이 일어나지만 한계전류 이상의 전류가 인가되면 유도 방출이 지배적으로 일어나므로 광출력이 급격하게 증가하여 레이저 발진이 생기게 된다.

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