تختلف ليزرات أنصاف النواقل عن ليزرات الحالة الصلبة الإعتيادية في طريقة الضخ الطاقي و في احتوائها على حزم عريضة من مستويات الطاقة بدلا من المستويات المفردة التي تحدث بينها الإنتقالات التي تشارك في عملية الإنبعاث الليزري، حيث تحتوي كل حزمة على عدد كبير من المستويات الطاقية المتقاربة و التي لا يقترن وجودها بذرات معينة و إنما تشترك فيها المادة البلورية كلا و يكون ازدياد قيمة عامل الكسب الضوئي متعلقا بمقدار التيار الذي يمر عبر وصلة الوسط شبه الموصل. إن ليزر أشباه الموصلات ( ديود الليزر) هو ليزر من مادة شبه موصلة تتميز بأنها ذات فجوة حزمية مباشرة و أكثر أنواعه شيوعا هو ديود زرنيخ الغاليوم (GaAs) الذي يصدر إشعاعا تحت أحمر بطول موجي 0.85 ميكرون .
يحدث الفعل الليزري في ديود الليزر نتيجة الإنتقال المحثوث للإلكترونات بين المستويات الإلكترونية لحزمة الوصيل(Conduction Band) و المستويات الإلكترونية لحزمة التكافؤ (Valence Band) و لذلك فإن الإنتقالات قد تحدث بين أوضاع الكترونية ذات طاقات مختلفة و ليس كالإنتقالات التي تكون بين مستويات طاقية محددة .
لقد تم اكتشاف هذا النوع من الليزر سنة 1961 وله كثير من التطبيقات العملية أهمها في حقل الإتصالات و قد استخدم أيضا في ضخ أنواع أخرى من الليزر حيث يتميز هذا النوع من الليزر(ليزر شبه الموصلات- ديود الليزر) بما يلي:
1- صغر الحجم.
2- إمكان الضخ المباشر باستخدام تيار كهربائي صغير نوعا ما (150 – 15) ميلي أمبير.
3- الكفاءة العالية التي قد تصل إلى 32%.
4- إمكانية التحكم بشدة الشعاع الخارج مباشرة بواسطة التيار الكهربائي .
5- رخيص الثمن.
6- خاصية التنغيم أي إمكانية الحصول على أي طول موجي من بين أطوال موجية متعددة من الليزر نفسه.
7- تتميز بإمكانية الفتح و الغلق بسرعة كبيرة مما يمكننا من التحكم به بشكل أفضل.
8- شدة الإضاءة العالية ( أي أنه يصدر كمية كبيرة من الضوء مركزة في منطقة ضيقة).
9- نصف قطر المنطقة المضاءة صغير نسبة لنصف قطر مقدمة الديود(على افتراض أنه دائري في أغلب الأحيان).
10- ذات عمر تشغيلي طويل مما يمكننا من الإعتماد عليه في الإستخدامات التي يكون من الصعب القيام بعمليات تبديل القطع فيها أي أنه ذو كفاءة عالية.
11- يتميز بأن يصدر كمية من الحرارة مقارنة مع المصابيح المتوهجة و هذه ميزة جيدة لصالحه.
إن لديود الليزر إنتقالات متعددة أي يمكن للإلكترونات أن تنتقل بين عدة طبقات و ذلك على اختلاف الذرات و تؤدي هذه الإنتقالات إلى حدوث انبعاث ليزري و يمكن اجمال أهم الإنتقالات بما يلي:
1- الإنتقالات بين المستويات الطاقية للذرات الشائبة المضفة إلى المادة الأصلية.
2- الإنتقالات بين المستويات الطاقية للأنطقة الموجودة في المواد النصف ناقلة النقية.
3- الإنتقالات بين المستويات المغناطيسية.
يتم تصنيع ديود الليزر للإستخدامات التي تحتاج إلى طول موجة صغير من زرنيخ الغاليوم و الألمينوم GaAlAs أما الأجهزة التي تحتاج إلى طول موجة كبير بيصنع الديود من InGaAsP.
و يبين الشكل بعض الصور الحقيقة لديودات الليزر بأشكال متنوعة:
بنية ديود الليزر:
يتكون كما ذكرنا من وصلة P-N هي عبارة عن الوسط الفعال و الذي تضخ إليه الطاقة باستخدام التيار الكهربائي و يحيط بهذا المتصل طلاء عاكس تطلى به النهايتان المتقابلتان من رقاقة الليزر نصف الناقل و لكن في بعض الأحيان يكون ذلك غير ضروري لأن معامل الإنكسار للهواء أصغر بكثير من معامل الإنكسار لمعظم المواد نصف الناقلة التي يصنع منها المتصل.
و نلاحظ وجود نوعين رئيسيين لبنية شريحة ديود الليزر و ذلك حسب الشكل و طريقة الإشعاع أو بالأحرى منطقة الضوء الصادر.
فالنوع الأول يصدر الضوء عمودي على الوسط الفعال و الآخر موازي له و الشكل المجاور يوضح ذلك
و هذا شكل مبسط لبنية ديود الليزر بشكل عام:
توضع الرقاقة نصف الناقلة المولدة لأشعة الليزر ضمن تشكيلة هيكلية لحمايتها من التعرض المباشر للبيئة المحيطة و لتأمين أسلاك التوصيل إلى الرقاقة بشكل عملي
و يضاف إليها عدسات لتقويم الإنتشار الذي قد ينشأ في بعض الأحيان و لتضيق حزمة الضوء في منطقة صغيرة أو لزيادة مساحة المنطقة المضاءة حسب الطلب و هذا ما يوضحه الشكل :
أنواع ديودات الليزر:
توجد بنيتان رئيسيتان لديود الليزر هما:
1- بينة فابري- بيترو أو FP.
2- البنية ذات التغذية العكسية المجزأة أو DFB.
يتميز النوع الأول FP بأنه اقتصادي أكثر من الثاني و لكنه أكثر ضجيجا من الثاني و أبطأ في الإستجابه بينما يتميز النوع الثاني DFB بأنه أهدأ و أسرع و ذو طيف إصدار أضيق من الأول و هو بالتالي ذو سعر أعلى و لكنه يقدم أداء أفضل و يتميز بإصداره لضوء نقي وحيد اللون بينما يصدر الFP ضوءا ذو أطوال موجية مختلفة.
أما عن استخدام كل من النوعين:
يستخدم الDFB في الدارات الرقمية التي تتطلب سرعة كبيرة و يستخدم أيضا في أغلب الدارات التشابهية و ذلك بسبب سرعته و ضجيجه المنخفض بالإضافة إلى امتلاكه لخطية متفوقة على الFP و هو ما نحتاجه في الدارات التشابهية.
أما النوع الثاني FP فهو يقسم إلى قسمين:
النوع الأول BH(buried hetero) و النوع الثاني MQW(multi-quantum well)
و قد ساد النوع الأول BH لسنوات عدة في أغلب الإستخدامات و الصناعات التي تستخدم الFP إلا أن النوع الثاني MQW آخذ بالإنتشار على حساب النوع الأول في الوقت الحالي و ذلك بسبب إيجابياته التي يتفوق بها على كل الأنواع الأخرى من الFP و من هذه الخصائص ما يلي:
1- تيار فتح(عبتة) صغير و بالتالي لن نحتاج إلى استخدام منابع كبيرة .
2- ذو كفاءة أعلى من غيره.
3- ذو ضجيج منخفض مقارنة مع بقية الأنواع.
4- أكثر خطية.
5- ذو استقرار عالي فيما يتعلق بدرجات الحرارة و تغيراتها أي عدم تأثره بدرجات الحرارة.
و لكن من سيئاته أنه قد يسبب بعض الإنعكاسات التي قد تؤثر على عمل بعض الأجهزة كما في الألياف البصرية.
و بالحديث عن أنواع ديودات الليزر بالنسبة للبنية لابد لنا من التطرق إلى أحدث أنواعه و هو ما يسمى ب VCSEL و يتميز بأنه يصدر الضوء بشكل عمودي على سطحه على عكس الأنواع القديمة التي تصدر الضوء من السطح الأفقي و الشكل المجاور يبين بنيته.
يشابه الVCSEL في عمله عمل الأنواع العادية من ليزرات المواد النصف ناقلة و التي تتميز بإصدار الضوء من السطح الأفقي.
يتكون الVCSEL من قلب يدعى بالقطاع الفعال أو قطاع التضخيم ووظيفته إصدار الضوء، بينما تقوم طبقات من المواد نصف الناقلة المتنوعة التي تتوضع فوق و تحت القلب بالعمل كمرايا تعكس كل منها مجالا ضيقا من أطوال الموجة للأشعة الصادرة عن القلب و تتجه هذه الأشعة المنعكسة إلى ثقب الإصدار مكونة إشعاعا ذو طول موجة واحد لأن كل طبقة من الطبقات السابقة تمتلك خصائص تمكنها من عكس أمواج صادرة عن القلب بتردد معين محولة إياها إلى أمواج ذات طول موجة واحد.
أما عن ميزات هذا النوع فنذكر:
1- الحجم الصغير.
2- المرايا المكونة من المواد النصف ناقلة و التي تمنحه تيار عتبة صغير لا يتجاور 1mA .
3- ذو استقرار حراري عالي ، لا يتأثر بتغيرات درجة الحرارة.