دیدیم که در لیزرهای حالت جامد، ترازهای انرژی به اتمهای دوپه کننده در غلظتهای بسیار پایین در شبکه میزبانی از یک ماده دیگر مربوط می شوند. چون در این شرایط اتمهای دوپه کننده اصولاً از یکدیگر جدا هستند، ترازهای انرژی آنها گسسته باقی می ماند و طیفی خطی را به دست می آوریم که شبیه به حالت کلی اتمها یا مولکولهای مجزا ست. با این حال درمورد لیزرهای نیم رسانا، با ترازهای انرژی یک شبکه سرتاسری مواجه هستیم و بدین ترتیب به جای ترازهای گسسته انرژی باید نوارهای انرژی را در نظر گیریم.

خواص مشخصه یک نیم رسانا ناشی از این واقعیت است که گاف انرژی کوچکی بین دو نوار به نام نوار والانس و نوار رسانایی وجود دارد. در دمای بسیار پایین، الکترونهای مربوط به لایه والانس هر اتم، ترازهای انرژی را در نوار والانس اشغال می کنند و نوار رسانایی پر انرژیتر خالی می ماند. بدین ترتیب الکترونها نمی توانند آزادانه در شبکه حرکت کنند و ماده خواص الکتریکی یک عایق را دارد. با این حال در دمای اتاق، انرژی گرمایی برای برانگیختن برخی الکترونها به نوار رسانایی که در آن گذر از درون شبکه نسبتاً مشکل نیست، به مقدار کافی وجود دارد و بدین ترتیب رسانایی گرمایی در حدی بین آنچه از یک رسانا و عایق انتظار می رود، قرار می گیرد.

معمولاً در ابزار الکترونیکی نیم رسانا از اتصالهای بین نیم رسانای نوع p و نوع n استفاده می شود. اتمهای ناخالصی موجود در شبکه نیم رسانای نوع اول، از اتمهایی که جانشین آنها شده اند الکترونهای والانس کمتری دارند، درنوع دوم، الکترونهای والانس اتمهای ناخالصی بیشتر ازاتمهایی است که جایگزین آنها شده اند. معروفترین مواد نیم رسانا از عناصر گروه IV مانند سیلیسیم و ژرمانیم هستند. با این حال، ترکیبات دوتایی بین عناصر گروههای III و V مانند گالیم آرسنید ( GaAs ) رفتار مشابهی از خود نشان می دهند. در این حالت، شبکه کلی متشکل از دو شبکه مکعب مراکز وجوه پر در هم فرورفته است و بلور نوع p و n با تغییر استوکیومتری از مقدار دقیق 1:1 حاصل می شود. در ماده نوع p  تعدادی از اتمهای آرسنیک با گالیم جایگزین می شوند، در بلور نوع n   عکس این عمل رخ می دهد.

لیزرهای نیم رسانا به طریقی خیلی شبیه به دیودهای نورگسیل( LED)  که به گستردگی در وسایل الکترونیکی به کار می روند، کار می کنند. با اعمال یک پتانسیل الکتریکی روی اتصال ساده دیودی بین بلور نوع p و n الکترونهای روی مرز نیم رسانا از نوار والانس فرو می افتند و در این فرایند تابش نشر می شود. نشرعمدتا در زیر قرمز است و خواص نوری بلور در چنین طول موجهایی امکان را فراهم می آورد که دو وجه انتهایی بلور، محدوده حفره تشدید را تعیین کنند. یکی از مزیتهای این نوع لیزر. اندازه بسیار کوچک آن است که معمولاً به نیم میلی متر می رسد، ولی این مسئله باعث موازی شدن بسیار کمی می شود. واگرایی به اندازه 10 به هیچ وجه نامعمول نیست و بدین ترتیب نیاز به ابزار اپتیکی تصحیح کننده را در کاربردهای زیادی، الزامی می کند.

به طور کلی دونوع لیزر نیم رسانا وجود دارد: آنهایی که در طول موج ثابت کار می کنند و آنهایی که کوک پذیرند. متداولترین انواع طول موج ثابت عبارت اند از: گالیم آرسنید، گالیم آلومینیم آرسنید و ایندیم گالیم آرسنید فسفید. لیزرهای گالیم گارسنید طول موجی در حوالی mm  904/0 نشر می کنند، انعطاف پذیری زیاد در استوکیومتری سایر انواع ، ساخت لیزرهایی را که در طول موجهای ثابت مختلفی در گستره 8/0 تا mm 3/1 کار می کنند، امکان پذیر کرده است. با این حال، لیزرهای به اصطلاح دیود « نمک سرب » که از ترکیبات دوتایی غیر استوکیومتری سرب، کادمیم و قلع با تلوریم، سلنیم و گوگرد تهیه می شوند، بسته به نوع دقیق ترکیب در گستره 8ر2 تا  m m  30 ( 3500 تا cm330 ) نشر می کنند. هرچند این لیزرها به دمای عملیاتی بسیار پایینی نیاز دارند، نوعاً در گستره 15 تا K  90 ، طول موج عملیاتی خیلی وابسته به دماست و در نتیجه میتوان با تغییر دما، طول موج را تنظیم کرد. گستره کوک یک لیزر دیود نمک سرب با ترکیبی مخصوص، نوعاً در حدود cm 100 است.

در یک لیزر دیودی، مدها نوعاً به فاصله 1 تا c m  2 از هم قرار دارند و معمولاً هر مد مجزا، پهنای خط بسیار باریکی به اندازه cm 10 یا کمتر دارد. معمولاً توان خروجی لیزرهای نیم رسانای پیوسته برحسب میلی وات سنجیده می شود، هر چند اکنون تجهیزات یک واتی به طور تجاری در دسترس اند. مهمترین کاربرد این لیزرها به عنوان پیکاپهای نوری درگرداننده های دیسک فشرده ( CD) ، مخابرات نوری و تارهای نوری است، لیزرهای دیودی درحال حاضر نمایشگر بالنده ترین قسمت بازار لیزرند. با این حال، لیزرهای دیودی برای طیف بینی زیر قرمز با تفکیک زیاد نیز خیلی مناسب اند، زیرا پهنای خط آن چنان اندک است که می توان ساختار چرخشی را برای بسیاری از مولکولهای کوچک از گذارهای ارتعاشی جدا کرد. ارزش این روش خصوصاً در مشخص کردن واسطه های کوتاه عمر در واکنشهای شیمیایی، اثبات شده است. با ظهور لیزرهای دیودی که درانتهای قرمز طیف مرئی نشر می کنند، می توان کاربردهای متنوع تری را انتظار داشت. می توان توقع داشت که با کاهش قیمتها ، لیزرهای دیودی، لیزرهای هلیم ـ نئون را از بسیاری از کاربردهای سنتی شان کنار بگذارند.

منبع : prin.ir