Kennen Sie sich mit Halbleiterlasern aus? (Teil 3)

HalbleiterlaserKorrelation Teil 3.

Halbleiterlaser zeichnen sich im Allgemeinen durch geringes Gewicht, hohe Modulationseffizienz, geringe Größe usw. aus und werden häufig in zivilen, militärischen, medizinischen und anderen Bereichen eingesetzt. Die Forschung an Hochleistungs-Halbleiterlasern begann in den 1980er Jahren und hat nie aufgehört. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie und der Lasertechnologie hat der Hochleistungs-Halbleiterlaser große Fortschritte in Bezug auf Leistungsabgabe, Leistungsumwandlung und Zuverlässigkeit gemacht.

Die Wirkung von Dotierung auf die Struktur

Durch die Dotierung verändert sich das Energieband des Halbleiters. Abhängig von der Dotierung liegen zwischen den Bandlücken intrinsischer Halbleiter unterschiedliche Energieniveaus vor. Das Donoratom erzeugt ein neues Energieniveau in der Nähe des Leitungsbandes, während das Empfängeratom ein neues Energieniveau in der Nähe des Valenzbandes erzeugt. Wenn in Silizium dotierte Boratome ionisiert werden, können in Silizium dotierte Boratome bei Raumtemperatur vollständig ionisiert werden, da das Energieniveau zwischen dem Valenzband von Bor und Silizium nur 0,045 Elektronenvolt beträgt, was viel kleiner ist als die Energielücke von Silizium selbst von 1,12 Elektronenvolt.

Ein weiterer wichtiger Effekt von Dotierstoffen auf die Bandstruktur besteht darin, die Position des Fermi-Energieniveaus zu verändern. Das Fermi-Energieniveau bleibt im thermischen Gleichgewicht konstant und diese Eigenschaft führt zu vielen anderen nützlichen elektrischen Eigenschaften. Beispielsweise kann sich das Band eines pn-Übergangs biegen, weil sich die Fermi-Niveaus eines Halbleiters vom P-Typ und eines Halbleiters vom N-Typ an unterschiedlichen Positionen befinden, die Fermi-Niveaus jedoch auf der gleichen Höhe bleiben müssen, um den pn-Übergang zu bilden. Infolgedessen wird das Leitungsband oder Valenzband des P-Typ- oder N-Typ-Halbleiters gebogen, um sich an die Banddifferenz am Übergang anzupassen.

Der obige Effekt kann durch ein Bandendiagramm erklärt werden. In einem Banddiagramm stellt die horizontale Achse die Position und die vertikale Achse die Energie dar. Das intrinsische Fermi-Niveau (intrinsicFermi-Niveau) eines Halbleiters wird normalerweise in Ei ausgedrückt. Bandkarten sind ein sehr nützliches Werkzeug zur Interpretation des Verhaltens von Halbleiterkomponenten.

Die Beziehung zwischen Halbleitern und integrierten Schaltkreisen

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Eigenschaften zwischen denen von Leitern und Isolatoren liegen. Wir wissen, dass ein Schaltkreis hauptsächlich aufgrund der verschiedenen Stromschwankungen in ihm eine Funktion hat und dass Strom hauptsächlich aufgrund des Flusses (Bewegung/Wanderung) von Elektronen zwischen dem Metallschaltkreis und den elektronischen Komponenten gebildet wird. Wie leicht sich Elektronen durch ein Material bewegen, bestimmt dessen Leitfähigkeit. In gewöhnlichen Metallmaterialien ist es bei Raumtemperatur leicht, Elektronen zu bewegen, sodass ihre Leitfähigkeit gut ist. Aufgrund der Eigenschaften des Materials selbst ist es für die Elektronen schwierig, die für die Stromleitung erforderliche Energie zu gewinnen. Im Inneren des Isolators können nur wenige Elektronen wandern, daher ist er nahezu nichtleitend. Halbleitermaterialien hingegen liegen irgendwo dazwischen und können durch Zugabe von Verunreinigungen verändert werden, wodurch künstlich gesteuert wird, wie leicht sie Elektrizität leiten oder nicht und wie leicht sie Elektrizität leiten. Dies wird als Dotierungseigenschaft von Halbleitern bezeichnet.

Wie bereits erwähnt, ist die Basis des integrierten Schaltkreises der Transistor, die Erfindung des Transistors ermöglicht die Schaffung des integrierten Schaltkreises, und die Basis des Transistors ist der Halbleiter, also ist der Halbleiter auch die Basis des integrierten Schaltkreises. Halbleiter gehören zu integrierten Schaltkreisen, Land zu Städten. Offensichtlich sind Berge und Hügel nicht für den Bau von Städten geeignet, und Orte mit sandigem Boden und Kalkstein sind nicht für den Bau von Städten geeignet. Der „Aufbau“ einer Stadt erfordert einen guten Standort, und die „Integration“ eines Stromkreises erfordert das richtige Grundmaterial -- Halbleiter. Gängige Halbleitermaterialien sind Silizium, Germanium, Galliumarsenid (Verbindungen), darunter das weit verbreitete, kommerziell erfolgreiche Push „Silizium“.

Warum eignen sich Halbleiter und insbesondere Silizium für die Herstellung integrierter Schaltkreise? Es gibt verschiedene Gründe. Silizium ist nach Sauerstoff ein häufig vorkommendes Element in der Erdkruste. In der Natur gibt es viele Silikate oder Kieselsäure in Gesteinen und Kies, was die Kosten für Rohstoffe verursacht. Die Dotierbarkeit von Silizium lässt sich leicht kontrollieren, sodass sich aus schaltungstechnischen Gründen problemlos Transistoren herstellen lassen, die den Anforderungen entsprechen. Das durch die Oxidation von Silizium gebildete Siliziumdioxid ist stabil und kann als hervorragender Isolierfilm für Halbleiterbauelemente verwendet werden, was den Grund für die Bauelementstruktur darstellt. Der entscheidende Punkt ist der Planarprozess integrierter Schaltkreise. Silizium lässt sich leichter durch Oxidation, Lithographie, Diffusion und andere Prozesse implementieren, ist einfacher zu integrieren und seine Leistung ist einfacher zu steuern. Daher wird im Folgenden hauptsächlich auf der Grundlage von Kenntnissen über integrierte Siliziumschaltkreise, Siliziumtransistoren und Prozessverständnissen für integrierte Schaltkreise vorgestellt, um dieses Problem leichter zu verstehen.

Neben der Haltbarkeit weisen Halbleiter auch thermische Empfindlichkeit, Lichtempfindlichkeit, negative Widerstandstemperatur, Recyclingfähigkeit und andere Eigenschaften auf, sodass Halbleitermaterialien neben der Herstellung großformatiger integrierter Schaltkreise auch für Leistungsgeräte, optoelektronische Geräte, Drucksensoren usw. verwendet werden können. thermoelektrische Kühlung und andere Zwecke; Mithilfe der Mikrobearbeitungstechnologie der Mikroelektronik können daraus auch MEMS (mikromechanische elektronische Systeme) hergestellt werden, die in elektronischen und medizinischen Bereichen eingesetzt werden können.

Die Herstellung von Halbleitermaterialien

Um den Anforderungen der Massenproduktion gerecht zu werden, müssen die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters vorhersehbar und stabil sein, sodass sowohl die Reinheit der Dotierung als auch die Qualität der Halbleitergitterstruktur unbedingt erforderlich sein müssen. Häufige Qualitätsprobleme sind Versetzungen im Gitter, Zwillinge oder Stapelfehler, die die Eigenschaften von Halbleitermaterialien beeinträchtigen. Bei einer Halbleiterkomponente sind in der Regel die Defekte im Materialgitter der Hauptfaktor, der die Leistung der Komponente beeinflusst.

Die gebräuchlichste Methode zur Züchtung hochreiner einkristalliner Halbleitermaterialien ist der sogenannte Czochralski-Prozess. Bei diesem Verfahren wird der Keim eines Einkristalls in eine gelöste Flüssigkeit desselben Materials getropft und in einer rotierenden Bewegung langsam nach oben gezogen. Wenn der Samen hochgezogen wird, verfestigt sich der gelöste Stoff entlang der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit, und die Rotation gleicht die Temperatur des gelösten Stoffes aus.

Halbleiteranwendung

1. Der erste praktische Halbleiter war ein Transistor/Diode. Wird als Signalverstärker/Gleichrichter in Radio- und Fernsehhalbleitern verwendet.

2. Entwicklung von Solarenergie, die auch in Solarzellen verwendet wird.

3. Halbleiter können zur Temperaturmessung verwendet werden. Der Temperaturbereich kann 7 {2} Prozent des Feldes in Produktion, Leben, medizinischer Gesundheit, wissenschaftlicher Forschung und Lehre erreichen, mit hoher Genauigkeit und Stabilität und einer Auflösung von bis zu {{ 4}},1 Grad, sogar bis zu 0,01 Grad sind nicht unmöglich, Linearität 0,2 Prozent, Temperaturbereich -100~ plus 300 Grad. Es handelt sich um ein kostengünstiges Temperaturmesselement.

4. Die Entwicklung von Halbleiterkühlschränken, auch thermoelektrische Kühlschränke oder thermoelektrische Kühlschränke genannt, nutzt den Partier-Effekt.

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