半導体レーザー


図1
図1

半導体結晶と光の関係について考えます。価電子帯と伝導帯のエネルギー差,すなわちバンドギャップに等しいエネルギーを持つ光が結晶に入ってくると,図1(a)のように,結晶が光エネルギーを吸収し,結晶内部で価電子帯の電子が伝導帯に上がります。当然,価電子帯には正孔がつくられます。

図1(b)のように,伝導帯に電子そして価電子帯に正孔がある場合,電子がエネルギーを放出(発光)して価電子帯に落ちます。


図2
図2

伝導帯に電子そして価電子帯に正孔が存在して,そこにバンドギャップエネルギーに等しいエネルギーを持つ光が入ってくると,誘導放出によって,光が増幅されます。図2にその様子が描いてあります。

いずれの場合も,吸収・発光・誘導放出される光の波長は,結晶のバンドギャップエネルギーによって決まります。このときの光の波長は,バンドギャップエネルギーをEg[eV]とすると,波長[nm]=1240/Eg[eV]で計算できます。

光の放出の場合,伝導帯の電子が価電子帯に落ちる際に,そこに空席が無ければならず,したがって伝導帯の電子と価電子帯の正孔が元あった状態に戻る必要があります。その意味で電子と正孔の再結合によって発光するのです。


図3
図3

ここで,不純物半導体を思い返してみましょう。図3(a)にあるn型半導体では,伝導帯に電子が過剰に存在します。p型半導体では,価電子帯に正孔が過剰に存在します。これらの電子と正孔を再結合させることができれば,有効な発光素子ができそうです。

でも,電子と正孔は別の場所に存在します。では,2種類の半導体の電子と正孔を同じ場所に持ってくる手段は?

原子の並び方までそろえてくっつけるとことができたとすると,2つの結晶のフェルミエネルギーが一致するまで,図3(b)のように両者のエネルギーが変化します。でも,このままでは電子も正孔も移動しません。


図4
図4

この結晶に図4のように電圧を加えると,n型はエネルギーが大きくなるように変化し,p型はエネルギーが小さくなるように変化します。境界は,面ですっぱりと切ったようには行かず,図のように多少の幅を持った境界層ができます。この境界層に,n型側からは電子が流れてきて,p型側からは正孔が流れてくるのです。

これで,境界にできた接合層と言う同一場所に電子と正孔を持ってくることができました。同じ場所に存在する電子と正孔は再結合して,光を放出します。このような構造をpn接合と言います。

pn接合は,p型半導体結晶とn型半導体結晶を持ってきて,くっつけたのでは,どうしても境界面が残り,電子や正孔が境界面を通過することはできません。境界面で原子の並びがつながる構造を作り,電子や正孔も移動できるようにしなければなりません。


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