RmutPhysics.com
พฤศจิกายน 29, 2020, 05:51:37 pm *
ยินดีต้อนรับคุณ, บุคคลทั่วไป กรุณา เข้าสู่ระบบ หรือ ลงทะเบียน

เข้าสู่ระบบด้วยชื่อผู้ใช้ รหัสผ่าน และระยะเวลาในเซสชั่น
ข่าว:
 
   หน้าแรก   ช่วยเหลือ ค้นหา ปฏิทิน สมาชิก เข้าสู่ระบบ สมัครสมาชิก  
หน้า: [1]
  พิมพ์  
ผู้เขียน หัวข้อ: เลเซอร์ไดโอด (LD)  (อ่าน 3958 ครั้ง)
0 สมาชิก และ 1 บุคคลทั่วไป กำลังดูหัวข้อนี้
สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด
ผู้ดูแลระบบ
Administrator
สุดยอดสมาชิก
*****
ออฟไลน์ ออฟไลน์

เพศ: ชาย
กระทู้: 1545

นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ELECTRONIC ราชมงคลธัญบุรี

suwat_elec@hotmail.com
ดูรายละเอียด อีเมล์
« เมื่อ: พฤศจิกายน 06, 2008, 07:17:15 am »

เลเซอร์ไดโอด(LD)

โพสโดย ผู้ดูแลระบบ
สุวัฒน์  หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก


สารที่ใช้ในการสร้างและโครงสร้างของอุปกรณ์ปล่อยแสงของเลเซอร์ไดโอด(LD)


ปรากฏการณ์ปล่อยแสงนั้น ไม่ได้เกิดขึ้นกับสารกึ่งตัวนำทุกชนิดทั้งนี้ก็เพราาะว่ามีสารพวกที่เกิดปรากฏการณ์ปล่อยแสงง่ายกับสารพวกที่เกิดการปล่อยแสงยาก เนื่องจากการปล่อยแสงนั้นเกิดจากการที่อิเลคตรอนถ่ายเท (Transfer) จาก Conduction Band ไปยัง Valenche Band จึงแบ่งสารออกเป็นพวกที่อิเลคตรอนถ่ายเทได้ง่ายกับพวกที่อิเลคตรอนถ่ายเทได้ยาก พวกที่อิเลคตรอนถ่ายเทได้ง่ายเรียกว่า Direct Transfer Semiconductor พวกที่อิเลคตรอนถ่ายเทได้ยากเรียกว่า Indirect Transfer Semiconductor ตัวอย่างของสารพวก Direct Transfer Semiconductor ได้แก่ สารประกอบของ Indium (In) , Gallium (Ga) อนึ่งสารพวก Silicon (Si) Germanium (Ge) ที่ใช้ทำทรานซิสเตอร์, IC นั้นส่วนใหญ่เป็น Indirect Transfer Semiconductor ปล่อยแสงออกมายากเนื่องจากความยาวคลื่นแสงที่ปล่อยออกมานั้น เป็นสัดส่วนกับผลต่างของพลังงานของ Conduction Band กับ Valenche Band แต่ทว่าผลต่างของพลังงานนี้ จะมีค่าต่างกันตามส่วนประกอบสารกึ่งตัวนำ จึงทำให้มีค่าความยาวคลื่นแสงค่าต่าง ๆ ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับสารประกอบของอุปกรณ์ปล่อยแสง แสดงดังรูป และจากการพิจารณา ถึงคุณสมบัติต่าง ๆ ของสารในทางปฏิบัตินั้นสำหรับย่านความยาวคลื่นสั้น 0.85 um นิยมใช้ GaALAs และผ่านความยาวคลื่นยาว 1.3 um นิยมใช้ InGaAsP ในระบบการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง การเลือกใช้ความยาวคลื่นแสงถือเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากจึงมีผลจำกัดต่อการเลือกใช้



เกี่ยวกับโครงสร้างของอุปกรณ์ปล่อยแสง จากทางด้านการใช้งานเพื่อให้ได้กำลังการปล่อยแสงที่มีประสิทธิภาพสูงนั้น การนำสารกึ่งตัวนำ P และ N มาเชื่อมกัน (JUNCTION) นั้นเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ดังนั้นเพื่อเป็นการทำให้เข้าใจขั้นตอนการปล่อยแสง อันเนื่องมาจากโครงสร้างของอุปกรณ์ปล่อยแสงที่เป็นสารกึ่งตัวนำนั้น ในที่นี้จะอธิบายถึงคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำแบบ P-type และ แบบ N-type ก่อน

สำหรับสารกึ่งตัวนำปกติจำนวนของอิเลคตอน (หรือจำนวน HOLE) ที่มีอยู่นั้นจะมีค่าคงที่ตามชนิดของอะตอม และอิเลคตรอนส่วนใหญ่จะรวมตัวกันอยู่ใน Valence Band ดังได้ เคยกล่าวมาแล้วในตอนต้น สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพอย่างนี้เรียกว่า Genuine Semiconductor แต่สารที่เรียกว่า P- type Semiconductor นั้น มีสภาพที่มีจำนวน Hole (อนุภาคที่มีประจุ+ ในตัว) และมีอิเลคตรอน (มีประจุ-ในตัว) น้อยดังแสดงในรูป ส่วนสารที่เรียกว่า N-type Semiconductor นั้น จะมีสภาพตรงกันข้ามกับ P- type Semiconductor กล่าวคือ มีอิเลคตรอนมากกว่า Hole และจำนวนอิเลคตรอนที่มากเกินนี้จะรวมตัวกันอยู่ใน Conduction Band


คราวนี้สมมุติว่าเรานำสารกึ่งตัวนำทั้ง 2 แบบมาเชื่อมต่อกัน และที่บริเวณที่เชื่อนั้นอิเลคตรอนที่มีจำนวนมากใน N-type จะรวมตัวกับ HOLE ที่มีจำนวนมากใน P-type ดังรูปและจากปริมาณการรวมตัวที่เพิ่มเรื่อยๆนั้น ทำให้เกิดประจุไฟฟ้า + ขึ้นใน N-type (เพราะว่า HOLE ลดลงเหลือแต่อิเลคตรอน) ดังรูป จากผลอันนี้ทำให้เกิดสภาพ Depletion Zone ขึ้นตรงบริเวณใกล้ๆ รอยเชื่อมต่อและได้โครงสร้างของระดับพลังงานดังรูป เกี่ยวกับโครงสร้างของระดับพลังงานนี้ มีความหมายสำคัญยิ่งยวดใน การนำไปใช้พิจารณา โครงสร้างของอุปกรณ์ปล่อยแสงที่จะได้กล่าวถึงในอันดับต่อไปนี้


โครงสร้างของ LD



โดยทั่วไปแล้ว LD จะมีโครงสร้างเป็น 3 ชั้น (Three Layers) ดังแสดงในรูป ในการเกิด Laser Oscillation นั้นคือ ส่วนที่ทำหน้าที่เป็น Resonator ซึ่งเรียกว่า Active Layer มีตำแหน่งอยู่ระหว่าง P-type Semiconductor กับ N-type Semiconductor


จากรูป ถ้าหากทำให้กระแสไหลจากขั้ว + ไปยัง - (ทำการฉีดกระแส : Current Injection ) จะเกิดแสง Laser ออกมาในทิศทางที่แสดงด้วยลูกศร เกี่ยวกับวิธีการเปิด Oscillation ของ LD นั้น อธิบายโดยเน้นตรงบริเวณชั้นทั้ง 3 ของ P-type , N-type และ Active Layer นี้ สำหรับโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำอย่างนี้เรียกว่า Double Hetero Junction นั้น หมายความว่า Junction ของ Layer ของสารที่มีส่วนประกอบต่างกันนั้นมี 2 ด้าน โครงสร้าง , ระดับพลังงานและลักษณะการเปลี่ยนแปลงค่าดัชนีการหักเหของ LD


ในการทำให้เกิด Laser Oscillation นั้น จะต้องทำให้ผลต่างระหว่างระดับพลังงานของ Conduction Band ของ P-Type Semiconductor และ Conduction Band ของ Active Layer มีค่าพร้อมทั้งทำให้ผลต่างระหว่างพลังงานของ Conduction Band กับ Valence Band ของ P-Type Semiconductor มีค่ามากด้วย นอกจากนั้นยังต้องทำให้ระดับพลังงานของ Valence Band ของ N-type Semiconductor ค่าต่ำกว่าระดับพลังงานของ Valence Band ของ Active Layer ด้วย จากนั้นจึงนำมาเชื่อมกันจะได้ระดับพลังงาน ดังรูป เมื่อทำให้มีกระแสไหลใน Semiconductor ที่มีการเชื่อมต่อกันในลักษณะที่กล่าวงข้างต้น โดยให้มีทิศทางไหลจาก P-Type ไปหา N-type ผลของการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอน และ HOLE เหล่านี้ทำให้เกิดมีอิเลคตรอน และ HOLE อยู่ภายใน Active Layer (แสดงด้วยในรูป และโยทั่วไป Active Layer นี้จะใช้สาร P-Type ) เมื่อมาถึงจุดนี้ให้สังเกตุดูระดับพลังงานของ Layer ทั้ง 3 ที่แสดงในรูป จะเห็นว่าเกิดมีกำแพงของพลังงาน (เรียกว่า Hetero Barrier ) ขึ้นทำให้อิเลคตรอนและ HOLE ที่เคลื่อนที่ไปนั้นถูกขังอยู่ใน Active Layer เป็นผลให้เกิดสภาพ Inversion Distribution ได้ดีทำให้มีผลการขยายความเข้มของการปล่อยแสง

อนึ่ง โดยการทำให้ดัชนีการหักเหของ Active Layer มีค่ามากกว่า Layer ข้างเคียงดังแสดงในรูป จะมีสภาพเหมือนกันกับเส้นใยแสง แสงที่ปล่อยออกมาจะถูกกักและเดินทางอยู่ใน Active Layer จากผลการกักอิเลคตรอน และ HOLE เอาไว้ใน Active Layer และผลการกักแสงเอาไว้ใน Active Layer ทำให้ได้การปล่อยแสงที่มีประสิทธิภาพดีได้

ตามที่ได้กล่าวมาแล้วว่าแสงจะออกมาจากระนานสะท้อนกลับ โดยที่ระนาบสะท้อนกลับนี้ทำจากการใช้สิ่งที่คมมากๆ คล้ายใบมีดโกนไปตัดสารกึ่งตัวนำที่ประกอบกันเป็น LD ให้มีช่องเปิดเรียกว่า Open Wall โดยการทำเช่นนี้แสง LASER จะถูกกักขังอยู่ใน Active Layer ได้ดี แต่ทว่าเมื่อมันเดินทางมาถึง Open Wall มันจะหลุดออกมาข้างนอกตลอดแนวของ Open Wall นี้ ทำให้ประสิทธิภาพของการเชื่อมแสงเข้ากับเส้นใยแสงไม่ดีด้วยเหตุนี้ เพื่อเป็นการทำให้ประสิทธิภาพดีจำเป็นต้องมีการปรับปรุงต่างๆ เพื่อให้มีปฏิกิริยาการนำคลื่นแสงในทิศทางแนวนอน (Horizontal)ด้วย ตัวอย่างอันหนึ่งของวิธีการปรับปรุงก็คือ สิ่งที่เรียกว่า Planer Stripe Structure



เพื่อให้การผลิต LD ทำได้ง่าย (การสร้างผลึกและสร้างขั้วไฟฟ้า ) จะทำให้มีโครงสร้างเป็น 5 ชั้น (LAYER) และทำให้บริเวณที่กระแสไหลมีขนากแคบ ส่วน LASER OSCILLATION เป็นการใช้หลักการที่ทำให้ Oscillation เกิดขึ้นเฉพาะตรงส่วนที่กระแสไหล นั่นคือ ตรงส่วนที่มีการกระตุ้น (Stimulation) เท่านั้นจากรูป จะเห็นได้ว่าขั้วบนสุดที่มีขั้วไฟฟ้า + ติดอยู่เป็น N-type เกือบทั้งหมดแต่จะมีเฉพาะส่วนหนึ่งเท่านั้นที่แคบ มากเป็น P-type เมื่อทำดังนี้จะไม่มีกระแสไหลตรงส่วนเชื่อมต่อของ N-type , P-type , Active Layer และ N-type (ทั้งนี้เพราะว่าจากคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำกระแสจะไม่ไหลจาก N-type ไปยัง P-type ) แต่ในทางตรงข้ามกระแสจะไหลเฉพาะตรงส่วนเชื่อมต่อของ P-type , P-type , Active Layer และ N-type นั่นคือ ส่วน P-type ของชั้น(LASER)ที่ 1 จะทำหน้าที่เป็นทางไหลเข้าของกระแสกลายเป็นแถบ (Stripe) ส่วนหนึ่งของ Active Layer จึงเรียกว่า Planer Stripe Type และนิยมใช้กันมาก คือ แบบ Embedding Stripe Type


โครงสร้างนี้มีลักษณะพิเศษตรงที่ทำให้ค่าดัชนีการหักเหของ Active Layer มีค่าสูงทั้งส่วนบน , ล่าง,ซ้าย,ขวา นั่นคือ ส่วนบนของ Active Layer มี Layer ของ P-type อยู่ ซึ่งจะเหมือนกับ Planer Stripe Type และกระแสจะไหลเฉพาะในส่วนนี้เท่านั้นจากข้างบนไปข้างล่างนอกจากจะสามารถทำให้เกิด Laser Oscillation ด้วยกระแสที่มีค่าน้อยแล้วยังทำให้ดัชนีการหักเหของ Active Layer มีค่าสูงมากขึ้นอีก จึงเป็นผลให้ประสิทธิภาพของการกักแสงเพิ่มขึ้นสามารถได้แสงที่ปล่อยออกมาเป็นลำแสงที่คม (Sharp) มาก


โครงสร้างพื้นฐานของ LED เหมือนกันกับของ LD กล่าวคือเป็น Double Hetero Junction อิเลคตรอนที่ไหลผ่าน P-N Junction จะไปรวมกับ HOLE ภายใน Active Layer เช่นเดียวกันกับกรณีของ LD ดังรูป และจะเกิดการปล่อยแสงขึ้นภายใน Active Layer เนื่องจากถูกกัดด้วยกำแพงของ Hetero Junction แต่สำหรับกรณีของ LED นั้น โครงสร้างของมันไม่มีการขยาย Oscillation ของแสงเหมือนอย่าง LD (ไม่มีระนาบสะท้อนแสง) แสงที่ปล่อยออกมาตรงส่วนที่อยู่ห่างจากด้านข้างนั้น จึงออกจากด้านข้างได้ยาก ด้วยเหตุนี้ LED ทั่วไปจึงให้แสงปล่อยออกมาข้างนอกจากด้านหน้าที่ต่อ กับขั้วไฟฟ้า

ตัวอย่างโครงสร้างของ LED แบบที่แสงที่ปล่อยออกมาทางด้านหน้า Face Emission Type LED แสดงดังรูป จากรูปจะเห็นว่าเพื่อเป็นการทำให้แสงปล่อยออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้น ขั้วไฟฟ้าทางด้านที่ปล่อยแสงออกมาจะต้องมีรูปร่างเป็นรูปวงแหวน



ในปัจจุบันได้มีการผลิต LED อีกแบบหนึ่งขึ้นมา โดยการทำให้มีค่าดัชนีการหักเหของ Active Layer มีค่าสูง และทำให้เกิดปฏิกิริยาการนำแสงขึ้นใน Active Layer เหมือนกันกับ LD

ดูภาพประกอบเพิ่มเติมด้านล่างครับ


ขอขอบคุณ อาจารย์จรัส บุณยธรรมา มา ณ ที่นี้ ที่ได้ให้ผมได้ตั้งกระทู้ได้ครับ


« แก้ไขครั้งสุดท้าย: พฤศจิกายน 16, 2008, 01:41:11 pm โดย สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด » แจ้งลบกระทู้นี้หรือติดต่อผู้ดูแล   บันทึกการเข้า
สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด
ผู้ดูแลระบบ
Administrator
สุดยอดสมาชิก
*****
ออฟไลน์ ออฟไลน์

เพศ: ชาย
กระทู้: 1545

นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ELECTRONIC ราชมงคลธัญบุรี

suwat_elec@hotmail.com
ดูรายละเอียด อีเมล์
« ตอบ #1 เมื่อ: ธันวาคม 10, 2008, 03:05:40 pm »

รูปโครงสร้างของ Embedding Stripe Type


* รูปโครงสร้างของ Embedding Stripe Type.gif (3.66 KB, 288x249 - ดู 1918 ครั้ง.)
แจ้งลบกระทู้นี้หรือติดต่อผู้ดูแล   บันทึกการเข้า
สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด
ผู้ดูแลระบบ
Administrator
สุดยอดสมาชิก
*****
ออฟไลน์ ออฟไลน์

เพศ: ชาย
กระทู้: 1545

นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ELECTRONIC ราชมงคลธัญบุรี

suwat_elec@hotmail.com
ดูรายละเอียด อีเมล์
« ตอบ #2 เมื่อ: ธันวาคม 10, 2008, 03:06:53 pm »

รูปโครงสร้างทั่วไปของ LD


* รูปโครงสร้างทั่วไปของ LD.gif (4.72 KB, 380x268 - ดู 1721 ครั้ง.)
แจ้งลบกระทู้นี้หรือติดต่อผู้ดูแล   บันทึกการเข้า
สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด
ผู้ดูแลระบบ
Administrator
สุดยอดสมาชิก
*****
ออฟไลน์ ออฟไลน์

เพศ: ชาย
กระทู้: 1545

นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ELECTRONIC ราชมงคลธัญบุรี

suwat_elec@hotmail.com
ดูรายละเอียด อีเมล์
« ตอบ #3 เมื่อ: ธันวาคม 10, 2008, 03:08:03 pm »

รูปโครงสร้างแบบ Planer Stripe


* รูปโครงสร้างแบบ Planer Stripe.gif (2.69 KB, 274x203 - ดู 1837 ครั้ง.)
แจ้งลบกระทู้นี้หรือติดต่อผู้ดูแล   บันทึกการเข้า
สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด
ผู้ดูแลระบบ
Administrator
สุดยอดสมาชิก
*****
ออฟไลน์ ออฟไลน์

เพศ: ชาย
กระทู้: 1545

นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ELECTRONIC ราชมงคลธัญบุรี

suwat_elec@hotmail.com
ดูรายละเอียด อีเมล์
« ตอบ #4 เมื่อ: ธันวาคม 10, 2008, 03:09:36 pm »

รูปโครงสร้างระดับพลังงานและลักษณะการเปลี่ยนแปลงค่าดัชนีการหักเหของ LD

แจ้งลบกระทู้นี้หรือติดต่อผู้ดูแล   บันทึกการเข้า
หน้า: [1]
  พิมพ์  
 
กระโดดไป:  

Powered by SMF 1.1.4 | SMF © 2006-2007, Simple Machines LLC | Thai language by ThaiSMF
หน้านี้ถูกสร้างขึ้นภายในเวลา 0.249 วินาที กับ 21 คำสั่ง