الصمّامات الثنائية المُصدرة للضوء (LEDs) وليزرات أنصاف النواقل.

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

قبل الانتهاء من هذه الفقرة حول تطوير تنمية المواد باستعمال البناء المُنضّد، يكون من المناسب مناقشة موجزة لتطبيقات هذه التقنيات للحصول على صمّامات ثنائية مُصدرة للضوء (LEDs) وصمّامات ثنائية ليزرية (LDs).

وتعتبر هذه المنابع الضوئية أجهزة أساسية في الاتصالات الضوئية وواسعة الانتشار في الإلكترونيات الاستهلاكية وماسحات الرموز الخطية.

نوقشت في الفصل الخامس الخلايا الشمسية وكواشف الإشعاع من الصمّامات الثنائية الضوئية. في هذه الأجهزة، يولِّد امتصاص الضوء أزواج إلكترون- ثقب في السيليكون وأنصاف النواقل الأخرى. وينتج تيار كهربائي عند وجود وصلة p-n لتسهيل فصل الشحنة قبل حدوث إعادة الاتحاد.

تعتبر الحالة المعاكسة، أي إعادة اتحاد الأزواج إلكترون- ثقب على وصلة p-n الذي يُصدر الضوء، الأساس في الصمّامات الثنائية المُصدرة للضوء. وبدورها، إذا حدثت تنمية الوصلة p-n في حجرة ضوئية تحتوي على الضوء بين مرآتين، فمن الممكن الحصول على ليزر نصف ناقل.

عند إعادة اتحاد زوج إلكترون- ثقب، إما أن تصدر الطاقة على شكل ضوء أو أن تتحول إلى طاقة حرارية على شكل اهتزاز الذرات (اهتزازات البلورة (Phonons)). وتسمى هذه الحالات بالتحلل المُشع أو غير المشع على التوالي.

تمتلك أنصاف النواقل مثل زرنيج الغاليوم على الخصوص نسباً مواتية من التحلل المُشع مقابل غير المشع بسبب الفوارق الجسيمة في البنية الإلكترونية (لا يمتلك السيليكون نسبة مواتية، لكن البحوث الواسعة تستمر مع الأمل في الوصول إلى طريقة باستعمال التكنولوجيا النانوية لتحسين النسبة.

وقد يكون من المفيد امتلاك جذاذات حاسوب تولِّد وتستقبل أيضاً الأمواج الضوئية من أجل الاتصال مع أجزاء الحاسوب الأخرى أو مع الألياف الضوئية).

عندما توجه وصلة p-n نحو الأمام (يكون الجانب p موجباً بالنسبة إلى الجانب n)، يمر عندئذ التيار وتتشكل أزواج إلكترون- ثقب، ويعيد قسم كبير منها الاتحاد مُصدِّراً الضوء الذي يُشع في كل الاتجاهات.

 

في الاتصالات الضوئية، يوجه الضوء نحو نهاية ليف ضوئي، ويُستعمل تقييد الضوء الصادر في البنى المُنمّاة بواسطة البناء المُنضّد لزيادة فعالية الصمّامات الثنائية المُصدرة للضوء LEDs ولتركيز إصدار الضوء إلى حد ما (استُعملت هذه المفاهيم أولاً في ليزرات أنصاف النواقل كما سيناقش فيما يلي). تتشابه مستويات الطاقة في صمّام ثنائي مُصدر للضوء LED مزدوج البنية غير المتجانسة مع تلك في ليزر نصف ناقل كما في الشكل 6.6. تصبح إعادة الاتحاد الكترون- ثقب في طبقة رقيقة من زرنيج الغاليوم أكبر ما يمكن في حال ترسبها بين مناطق من n-AlGaAs و p-AlGaAs.

وتُمنع الإلكترونات القادمة من n-AlGaAs من الدخول إلى p-AlGaAs بواسطة حاجز طاقة. وبالتشابه، تُمنع الثقوب القادمة من  p-AlGaAsمن الدخول إلى n-AlGaAs. يزيد ذلك احتمال حدوث إعادة الاتحاد إلكترون- ثقب في طبقة GaAs.

تتمثل الميزة الإضافية التي تنتج عن هذا التصميم في تقييد أو توجيه الضوء الصادر داخل غشاء GaAs. وحيث أن مؤشر انكسار GaAs أكبر من مؤشر AlGaAs، وكما سيًناقش في الفصل التالي، يؤدي ذلك إلى انعكاس كامل داخلي يسبب احتباس الضوء في طبقة GaAs. وهكذا، يعتبر صمّام ثنائي مُصدر للضوء LED مزدوج البنية غير المتجانسة تحسيناً كبيراً بالنسبة إلى LED بسيط.

تمثل الاختراق الحقيقي في اختراع الليزر وتطوير ليزرات أنصاف النواقل، ويعود بناء أول ليزر جسم صلب باستعمال الياقوت إلى تيودور ميمان (Theodor Maiman) في مختبر بحوث هيوز (Hughes) عام 1960، كما تعود التقارير حول أوائل الليزرات المعتمدة على وصلات p-n إلى أربع مجموعات مختلفة ضمن شهر واحد بالنسبة إلى بعضها عام 1962.

تضمنت هذه المجموعات مجموعة جنرال إلكتريك (General Electric) (Schenectady)  (Hall et al. 1962)ومجموعة أي بي م (IBM) (Nathan et al. 1962) وجنرال إلكتريك (General Electric) (Syracuse) (Holonyak and Bevacqua 1962) ومختبرات لنكولن (Lincoln) (Quist et al. 1962).

كانت هذه الليزرات تعمل عند درجات حرارة منخفضة وحسب النمط النبضي فقط. ومن أجل أن تكون جزءاً لا يتجزأ في منظومات اتصالات الأمواج الضوئية، كان يجب تطوير ليزرات أنصاف النواقل كي تعمل بشكلٍ مستمر (CW) وعند درجة الحرارة العادية.

 

يعود اقتراح مفهوم تصنيع بنية بينية من مواد مختلفة من أجل تحقيق احتباس الأزواج إلكترون- ثقب في المنطقة المركزية لليزر نصف ناقل أو ليزر بنية غير متجانسة إلى كرومر (Kroemer) في شركة فاريان (Varian) (Kroemer 1963) وألفيروف (Alferov) في معهد لوف (loffe) (Alferov et al. 1967).

في عام 1969، تحقق العمل عند درجة الحرارة العادية (Hayashi et al. 1969 and Alferov et al. 1969). واشترك ألفروف وكرومر في جائزة نوبل في الفيزياء عام 2000 مقابل "تطوير أنصاف نواقل ذات بنى غير متجانسة تُستعمل في تطبيقات السرعة العالية والإلكترونيات الضوئية" (ذهب نصف الجائزة الآخر إلى جاك س. كيلبي من أجل "جزئه في اختراع الدارة المتكاملة").

يتمثل الفرق بين الصمّام الثنائي المُصدر للضوء والصمّام الثنائي الليزري نصف الناقل في ما إذا كان إصدار الضوء تلقائياً أو مستحثاً على التوالي. وكما يقتضي التعبير، يحدث الإصدار التلقائي عشوائياً وتُعطى شدة الضوء الصادر بضرب عدد الأزواج إلكترون- ثقب بسرعة إعادة الاتحاد.

في الإصدار المستحث، يستحث الضوء المار عبر حجرة الليزر إعادة اتحاد أزواج إلكترون- ثقب إضافية، وكنتيجة لهذا الإصدار المُنسّق، يكون الضوء مترابطاً. لتحقيق الإصدار المستحث، ترسب مرايا عند كلٍ من نهايتي الحجرة التي ينعكس الضوء فيها ذهاباً وأياباً. مع كل مرور، يحدث إصدار مستحث إضافي وتكبر شدة الضوء أسياً. ولتحقيق الإصدار المستحث، يجب احتباس تركيز عالٍ من أزواج الإلكترون- ثقب في المنطقة الفعالة.

في واحد من الاتجاهات العمودية على حزمة الليزر، يتم ذلك بواسطة نموذج الاحتباس المبين في الشكل 5.6 حيث تُشكَل بنية غير متجانسة باستعمال Ga_0.7Al_0.3As نمط n و p مع وجود GaAs في الوسط.

 

في الاتجاه العمودي الآخر، يصار إلى جعل البنية ضيقة فيزيائياً إلى أكبر حد ممكن. ومن أجل توجيه إضافي للإشعاع المستحث الناتج عند مروره عبر الحجرة، ترسّب طبقات خارجية من Ga_0.5Al_0.5As. وكما نوقش أعلاه وفي الفصل التالي، يؤدي الفرق في مؤشر الانكسار إلى الانعكاس الكلي الداخلي ويحدث، هكذا، احتباس داخلي للأزواج إلكترون- ثقب واحتباس خارجي للضوء الناتج.

إن الصمّامات الثنائية الليزرية المُعتمدة على وصلات p-n في GaAlAs/GaAs ليست إلا مثالاً. ويتعلق طول موجة الليزر بفجوة حزام الطاقة في مادة القلب حيث يمكن ضبط الفجوة بواسطة تغيير التركيب الكيميائي لسبيكة نصف الناقل من أجل بناء ليزرات تتمتع بطول الموجة المرغوب.

تمتلك ألياف الكوارتز المستعملة في اتصالات الموجة الضوئية مناطق محددة تكون فيها أكثر شفافية، ولقد صُممَت الليزرات بحيث تُصدر الضوء عند أطوال الأمواج هذه التي توافق ثلاث نوافذ عند 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. ومن أجل تغطية حيز أطوال الأمواج هذا، تُصنَع ليزرات البنية غير المتجانسة المزدوجة باستعمال InGaAs و InGaAsP بالإضافة إلى AlGaAs.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]