半導体レーザーについて知っていますか?(その2)

半導体レーザー 相関関係その２。

レーザーは、最新のレーザー加工システムにおいて不可欠なコアコンポーネントの 1 つです。 レーザー加工技術の発展に伴い、レーザーも常に発展しており、多くの新しいレーザーが登場しています。

ドープ半導体レーザー

半導体は、ドーピングとして知られるプロセスである結晶格子に不純物を挿入することで電気的特性を変えることができるため、今日のデジタル世界で広く使用されています。

半導体中の不純物は抵抗率に大きな影響を与えます。 微量の不純物が半導体に添加されると、不純物原子の近くの周期的なポテンシャル場が乱され、追加の束縛状態が形成され、その結果バンドギャップ内に追加の不純物準位が生じます。 たとえば、リン、ヒ素、アンチモンなどの不純物原子が四元素ゲルマニウムまたはシリコン結晶に添加されると、不純物原子は格子の分子として、その 5 つの価電子のうち 4 つが周囲の原子と共有結合を形成します。ゲルマニウム (またはシリコン) 原子と余分な電子が不純物原子に結合し、水素のようなエネルギー準位を生成します。 不純物レベルは、禁制帯の上、伝導帯の底近くに位置します。 不純物準位の電子は電子キャリアとして伝導帯に容易に励起されます。 電子キャリアを提供する不純物はドナーと呼ばれ、対応するエネルギー準位はドナー準位と呼ばれます。

真性半導体の不純物濃度と極性は、半導体の伝導特性に大きな影響を与えます。 ドープされた半導体は外部半導体と呼ばれます。

ドープ半導体: 不純物半導体は、真性半導体に少数の適切な不純物元素を混合する拡散プロセスによって得られます。

P型半導体レーザー：純粋なシリコン結晶は、結晶格子内のシリコン原子の代わりに三価の元素（ホウ素など）を混合することによって形成されます。

多数キャリア: P 型半導体では、正孔の濃度は自由電子の濃度よりも高く、多数キャリア (略してポリキャリア) として知られています。

少数キャリア: P 型半導体では、自由電子は少数キャリア、または略して少数キャリアです。

アクセプター原子: 不純物原子の空孔は電子を吸収するため、アクセプター原子と呼ばれます。

P 型半導体の導電特性: 正孔によって電気を伝導します。 不純物を多く加えるほど多角形（穴）の濃度が高くなり、導電性能が強くなります。

N型半導体レーザー：純粋なシリコン結晶は、結晶格子内のシリコン原子の代わりに5価の元素（リンなど）を混合することによって形成されます。

多くの電子: N 型半導体では、多くの電子は自由電子です。

マイノリティ: N 型半導体では、マイノリティはホールです。

ドナー原子: 電子を与えることができる不純物原子はドナー原子と呼ばれます。

N 型半導体の導電性: 不純物を多く加えるほど、多角形 (自由電子) の濃度が高くなり、導電性が強くなります。

半導体レーザーのドーピング

ドープされた材料の正または負の電荷に応じて、ドープされた材料はドナーとアクセプタに分類できます。 ドナー原子からの価電子（価電子）は、ドープされた材料原子と共有結合しているため、結合している価電子です。 ドープされた材料の原子に共有結合していない電子は、ドナー電子とも呼ばれるドナー原子に弱く結合しています。

真性半導体の価電子と比較して、ドナー電子が伝導帯に遷移するのに必要なエネルギーは低く、半導体材料の格子内を移動して電流を生成することが容易です。 ドナー電子はエネルギーを獲得して伝導帯にジャンプしますが、真性半導体のように正孔を残すことはなく、ドナー原子は電子を失った後に半導体材料の結晶格子に固定されるだけです。 したがって、ドーピングによって余分な電子を獲得して伝導を提供する半導体は、N型半導体と呼ばれます。ここで、nは負に帯電した電子を表します。

ドナーとは対照的に、アクセプタ原子が半導体格子に入ると、価電子の数が半導体原子よりも少ないため、同等の空孔が生じ、この余分な空孔はエレクトリックホールとみなすことができます。 ドープされた半導体は P 型半導体と呼ばれます。ここで、p は正に帯電した正孔を表します。

ドーピングの効果は、シリコンの真性半導体によって示されます。 シリコンには 4 つの価電子があり、シリコンで一般的に使用されるドーピング材料には 3 価および 5 価の元素が含まれます。 ホウ素のような価電子が３つしかない３価元素をシリコン半導体にドープすると、ホウ素がアクセプタの役割を果たし、ホウ素がドープされたシリコン半導体はＰ型半導体となる。 逆に、シリコン半導体にリン（リン）などの５価元素をドープすると、リンがドナーの役割を果たし、ドープされたリンシリコン半導体はＮ型半導体となる。

半導体材料にはドナーとアクセプタをドープすることができ、半導体がN型かP型かを決定する方法は、ドープされた半導体によって異なります。アクセプタはより高い正孔濃度をもたらし、ドナーはより高い電子濃度をもたらします。つまり、半導体の「多数キャリア」とは何でしょうか。 マジョリティキャリアの反対はマイノリティキャリアです。 半導体部品の動作原理を解析するためには、半導体中の少数のキャリアの挙動が非常に重要です。

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