Nghiên cứu ứng dụng laser diode công suất cao để thiết kế, chế tạo các thiết bị điều trị và giải phẫu trong y tế - Chuyên đề

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ


CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10
“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG
TIN & TRUYỀN THÔNG”




BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:
TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
ĐỂ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU TRỊ VÀ GIẢI
PHẪU TRONG Y TẾ
Mã số: KC.01.07/06-1




Cơ quan chủ trì đề tài: Trung tâm công nghệ Laser
Chủ nhiệm đề tài: KS. Thái Quang Tùng

Hà Nội - 2009




i

MỤC LỤC
TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ 1
I. MỞ ĐẦU 1
II. LASER VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1
II.1 CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC CƠ BẢN 2
II.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA LASER 5
III. LASER DIODE 10
III.1 MỞ ĐẦU 10
III.2 CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN 11
III.3 VÀI NÉT VỀ CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA LASER DIODE. 16
III.4 ĐIỀU KIỆN VỀ NGHỊCH ĐẢO ĐỘ TÍCH LŨY TRONG LASER DIODE 20
III.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP KÍCH THÍCH CỦ
A LASER DIODE 22
III.6 ĐIỀU KIỆN PHÁT 24
III.7 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI LASER DIODE.25
IV. TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ LASER BƯỚC SÓNG 800-900NM VỚI MÔ, TẾ
BÀO VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER DIODE TRONG Y HỌC 37
IV.1 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ LASER DIODE BƯỚC SÓNG 800-900NM VỚI
MÔ, TẾ BÀO 37
IV.2 ỨNG DỤNG CỦA LASER DIODE BƯỚC SÓNG 800 – 980NM TRONG Y TẾ
52

V. KẾT LUẬN 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65


ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc nguyên tử mô hình Bohr và 2
mô hình các mức năng lượng tương ứng 2
Hình 2. Các hiện tượng quang học cơ bản 3
a – hấp thụ; b – phát xạ tự do; c – phát xạ cưỡng bức. 3
Hình 3. Cấu trúc điển hình của laser và tiến trình hình thành tia laser 4
Hình 4. Quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức 6photon điện tử ở mức
kích thích 6
Hình 5. Góc mở chùm tia laser 7
Hình 6. Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng trong bán d
ẫn
thuần 12
Hình 7. Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong a) bán dẫn loại n; b)
bán dẫn loại p 15
Hình 8. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời thẳng 16
Hình 9. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời xiên 17
Hình 10 18
Hình 11 18
Hình 12 19
Hình 13 19
Hình 14 20
Hình 15. Laser diode 26
Hình 16. Trạng thái điện tử của tinh thể bán dẫn 27
Hình 17. Năng lượng vùng cấm theo hằng số mạng 28
Hình 18 29

Hình 19. Phân loại laser diode 30
Hình 20. Phân loại Laser diode theo lớp hoạt tính 31
Hình 21. Sự phân bố năng lượng vùng cấm của laser diode 35
Hình 22. Cửa sổ điều trị trong mô, từ 600 đến 1100nm và phổ của một số chất hấp thu
mạnh trong miền này [9] 42
Hình 23. Hệ số tắt dần của Hemoglobin [9] 43
Hình 24. Sự hấp thu của nước trong miền 700 đến 1100nm [9] 44
Hình 25. Các quá trình khác nhau xảy ra trong mô sinh học phụ thu
ộc vào các tham số của
laser (mật độ công suất và thời gian chiếu xạ 46
Hình 26. Phụ thuộc của độ thẩm thấu tương đối của tia laser vào bước sóng 47

iii
Hình 27. Khả năng thẩm thấu của tia laser CS thấp với bước sóng khác nhau qua bề mặt
của da. 1) lớp ngoài cùng; 2) lớp Malpighian; 3) Derma; 4) lớp dưới da 47
Hình 28. Đặc trưng thay đổi cường độ chùm laser theo chiều sâu trong mô sinh học 48
Hình 29. Tác dụng chùm laser trên mô 49
Hình 30. Quá trình thay đổi nhiệt độ của mô dưới tác dụng bức xạ liên tục của laser CO
2
(λ
= 10,6 µm) 51


1
TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO ỨNG
DỤNG TRONG Y TẾ
I. MỞ ĐẦU
Ngay từ khi mới có những thiết bị Laser đầu tiên, ứng dụng trong y học
đã trở thành một trong những ngành phát triển mạnh. Ngày nay, laser đã trở
thành một vũ khí sắc bén được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các chuyên

khoa, góp phần to lớn trong điều trị. Các loại laser điều trị phổ biến hiện nay
là laser khí (CO
2
, He-Ne…), laser rắn (YAG-Nd, laser Rubi, laser KTP, laser
excimer, laser diode…).
Trong vài năm gần đây laser diode bước sóng trong vùng hồng ngoại gần
đang dần dần thay thế các loại laser truyền thống trong phẫu thuật như laser CO
2
,
laser YAG-Nd do laser diode có kích thước nhỏ gọn, linh động, tuổi thọ cao và
có thể ghép nối với các thiết bị nội soi để ứng dụng trong phẫu thuật nội soi cũng
như phẫu thuật đa năng khác.
Cùng với sự phát triển của thế giới, y học Việt Nam cũng không ngừng
phát triển và cập nhật những tiến bộ khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay
thiết b
ị laser công suất cao ứng dụng trong phẫu thuật đang bước đầu được
nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong nước ; trong chương này chúng ta sẽ
tìm hiểu khái niệm chung về laser, laser diode công suất cao và những ứng
dụng của nó trong y tế đã được công bố. Đây cũng là cơ sở lý thuyết để
nghiên cứu, thiết kế chế tạo và ứng dụng laser công suất cao tại nước nhà.
II. LASER VÀ NHỮNG VẤN
ĐỀ CHUNG
Năm 1917, nhà vật lý thiên tài Albert Einstein đã phát minh hiện tượng
bức xạ cưỡng bức (Stimulated Emission of Radiation), trên cơ sở đó thuật ngữ
“LASER” chính thức được ra đời, đây là từ viết tắt các chữ cái đứng đầu của
mỗi từ có nghĩa của cụm từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated &
Emission of Radiation – Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức). Năm

2
1954, nhà vật lý người Mỹ Townes và hai nhà vật lý Liên Xô là Prochorov và

Basov đã phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser dựa trên việc khuếch
đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức; nhờ phát minh này ba nhà vật lý trên đã
được tặng giải thưởng Nobel Vật lý 1964. Máy laser đầu tiên được chế tạo bởi
nhà Vật lý người Mỹ Maiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụng oxyt nhôm
(Al
2
O
3
) tinh khiết có pha ion crom gọi là laser hồng ngọc (Rubi). Sau thành
công này trong một thời gian ngắn, người ta đã phát hiện ra hàng loạt chất khác
có khả năng phát thành tia laser: hỗn hợp khí Heli và Neon (laser He-Ne) năm
1961, tinh thể bán dẫn Gallium Arsenid (diode laser GaAs), tinh thể Yttrium
Aluminium Garnet (laser YAG:Nd) năm 1964, các chất màu pha lỏng khác
nhau (laser màu) năm 1966.
II.1 CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC CƠ BẢN
Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
Theo mô hình nguyên tử của Bohr (Đan Mạch) đề xuất năm 1943 (hình
1): mỗi nguyên tử bất kỳ có c
ấu hình bao gồm 1 hạt nhân có kích thước rất
nhỏ lấp đầy bởi các hạt proton, neuron và các điện tử quay quanh theo các
quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân (hình 1a).





Hình 1. Cấu trúc nguyên tử mô hình Bohr và
mô hình các mức năng lượng tương ứng
Mỗi quỹ đạo tương ứng với năng lượng khác nhau của điện tử, ở quỹ đạo
trên điện tử có năng lượng lớn hơn ở quỹ đạo dưới. Do vậy tương ứng với mô

∆E
E
2

2
E
1

E
Hình 1a Hình 1b
E
2
E
1


3
hình của nguyên tử Bohr ta có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ các mức năng
lượng như hình 1b. Mức năng lượng thấp nhất gọi là mức cơ bản, còn các
mức năng lượng ở trên mức cơ bản gọi là mức kích thích.
Các nguyên tử khác nhau có số điện tử khác nhau và do vậy có số quỹ
đạo khác nhau và tương ứng với nó là các mức năng lượng khác nhau. Giả sử

ta có một hệ nguyên tử có 2 mức năng lượng như ở hình 1b và chiếu một
chùm ánh sáng đơn sắc, tức là chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau
và năng lượng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lượng của 2 mức tức là
bằng E. Khi photon đi vào môi trường, nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E
1

hấp thụ và nhờ có năng lượng của photon, điện tử này có thể nhảy lên mức

E
2
. Hiện tượng này là hiện tượng hấp thụ (hình 2a).





Hình 2. Các hiện tượng quang học cơ bản
a – hấp thụ; b – phát xạ tự do; c – phát xạ cưỡng bức.
Như vậy, hiện tượng hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức
thấp hấp thụ photon và nhảy lên mức trên. Hấp thụ luôn làm ánh sáng yếu đi.
Phát xạ tự do
Điện tử khi nhảy lên mức kích thích sau một thời gian nhất định (gọi là
thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) nó lại trở về mức cơ bản. Khi trở
về m
ức thấp, một năng lượng sẽ được giải thoát dưới dạng nhiệt (phonon)
hoặc ánh sáng (photon), trường hợp cuối cùng được gọi là hiện tượng phát xạ
a
E
2
E
1
b
E
2
E
1
c
E

2
E
1

4
tự do (hình 2b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi ra theo
mọi hướng.
Hiện tượng phát xạ cưỡng bức














Hình 3. Cấu trúc điển hình của laser và tiến trình hình thành tia laser
Cũng như hiện tượng hấp thụ ta chiếu vào môi trường có 2 mức năng
lượng chùm sáng đơn sắc với năng lượng của từng photon bằng E. Photon sẽ
tương tác điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử, các điện
tử này rời bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó (hình 2c). Cùng
với sự dịch chuy
ển này sẽ phát ra photon cũng có năng lượng E và có tính
chất khác giống hệt với photon đã cưỡng bức điện tử nhảy xuống mức thấp dễ

sinh ra nổ như hướng truyền, độ phân cực Trong trường hợp này photon
kích thích không bị mất mát như trong trường hợp hấp thụ, photon bố này vẫn
tồn tại và duy trì hoàn toàn những tính năng của nó đến mức ta không thể
Bu
ồng cộng h
ư
ởng vớih
o
ạtchấtlaser
Ngu
ồn nuôi
Gương
ph
ảnxạ
Gương
ph
ảnxạ
E
E
E
E
E
E
Chùm
tia

5
phân biệt đâu là photon bố, đâu là photon con sinh ra từ dịch chuyển cưỡng
bức điện tử.
Tóm lại phát xạ cưỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự

dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử dưới tác dụng của các photon. Hiện
tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuếch đại theo phản ứng dây
chuyền: 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 3, 3 sinh ra 4 (hình 4)
II.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢ
N CỦA LASER
II.2.1 Cấu trúc điển hình của laser
Có 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trường bất kỳ
khi chiếu một chùm sáng: hiện tượng hấp thụ làm suy yếu chùm sáng, phát xạ
tự do và phát xạ cưỡng bức làm cho chùm sáng mạnh lên.
Môi trường ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp (gọi là n
1
)
bao giờ cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích (gọi là n
2
). Hiện tượng hấp
thụ tỉ lệ với n
1
còn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do tỉ lệ với n
2
với hệ số tỉ
lệ gần như nhau. Vì thế cho nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phát xạ
cưỡng bức và phát xạ tự do, do vậy chùm ánh sáng đi qua môi trường bình
thường bao giờ cũng suy yếu. Để có hiệu ứng laser tức là chùm sáng được
khuếch đại thì ta phải tạo ra môi trường đặc biệt mà ở đấy phát xạ cưỡng bức
phải mạnh hơn hiện tượ
ng hấp thụ. Hiện tượng này chỉ xảy ra ở môi trường
mà các điện tử ở trên mức n
2
phải lớn hơn số điện tử ở mức dưới n
1

. Môi
trường như vậy gọi là môi trường đảo ngược độ tích luỹ (n
2
>n
1
). Gọi “đảo
ngược” là vì môi trường bình thường thì độ tích luỹ của điện tử ở mức dưới
nhiều hơn độ tích luỹ ở mức trên (n
1
>n
2
). Môi trường đặc biệt – môi trường
có sự đảo ngược độ tích luỹ, là yếu tố cơ bản của mọi laser. Môi trường ấy
được gọi là hoạt chất laser (laser active medium) hay ngắn gọn hơn là hoạt
chất.
Ngoài hoạt chất laser, mỗi laser bất kỳ còn phải có yếu tố khác là nguồn
nuôi – yếu tố cung cấp năng lượng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo

6
ngược tích luỹ các điện tử ở môi trường laser và buồng cộng hưởng – yếu tố
cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trước khi đạt trạng thái ổn
định và phát tia laser qua gương bán mở (hình 2.3). Buồng cộng hưởng này
có ý nghĩa ở chỗ nó chỉ cho phép ánh sáng có bước sóng thoả mãn điều kiện
sau sẽ được khuếch đại:
mλ/2=L (điều kiện buồng cộng hưởng)
L: độ dài giữa 2 gương
m: số tự nhiên 1, 2, 3 n,
λ: bước sóng
Vì vậy ánh sáng mang tính đơn sắc.

Hình 4. Quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức
photon điện tử ở mức kích thích.
Tóm lại, laser là máy phát ánh sáng đơn sắc có cấu trúc điển hình gồm 3
thành phần: hoạt chất laser, nguồn nuôi và buồng cộng hưởng.
II.2.2 Các tính chất của laser
Laser là một nguồn sáng nhưng đây là nguồn sáng đặc biệt, chính những
tính chất đặc biệt ấy đảm bảo hiệu quả rất cao việc ứng dụng laser vào các
lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Laser có 4 tính chất điển hình sau:

7
a. Độ định hướng cao
Từ cấu trúc của laser cho thấy laser phát theo một hướng vuông góc với
gương của buồng cộng hưởng. Tia laser phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng
song song. Tuy vậy do ảnh hưởng nhiễu xạ ở các biên chùm tia, tia laser phát
ra với một góc mở nhất định (hình 5).




Hình 5. Góc mở chùm tia laser
Từ lâu con người rất cần những nguồn sáng song song, trước hết dùng
để đo xa, liên lạc, soi đường như các đèn pha, đèn chiếu, phòng không
Những thiết bị này có góc mở cỡ vài độ góc và chiếu xa khoảng 5-10km. Còn
đối với laser có góc mở có thể đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phút góc (1 phút góc =
1/60 độ góc), có trường hợp chỉ vài giây góc. Vì vậy laser có thể chiếu đi rất
xa cỡ hàng nghìn cây số phục vụ đo xa, định vị
, chiếu xa rất chính xác.
b. Tính đơn sắc cao
Độ đơn sắc của nguồn laser được hiểu là chùm sáng có một màu và khả

năng tập trung năng lượng vào một màu ấy. Với ý nghĩa như vậy, laser đúng
là một nguồn sáng đặc biệt mà không thể có một nguồn sáng nào so sánh
được. Những máy quang phổ có thể cho ánh sáng một màu với độ tinh tương
đương với laser nhưng lại thua kém laser cỡ 1 tỉ lần về tậ
p trung năng lượng.
Mặt trời có thể cho năng lượng rất lớn, nhưng lại dải trên nhiều màu. Chính
tính đơn sắc rất quan trọng trong việc sử dụng laser như một thiết bị vật lý trị
liệu. Hiệu quả điều trị bằng ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào độ đơn sắc.
c. Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser


8
Tính kết hợp của ánh sáng được hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các
photon trong chùm sáng ấy. Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn
và trong trường hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp
bằng không. Tia laser như chúng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tượng
phát xạ cưỡng bức, do vậy các photon của tia laser giống hệt nhau. Tính
giống hệt nhau đó đảm bảo cho sự hoạ
t động nhịp nhàng của tia laser như một
đoàn quân đều bước trong một cuộc diễu binh. Tính kết hợp của tia laser đảm
bảo cho laser rất nhiều ứng dụng độc đáo: khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vết
nhỏ và tinh và những đo đạc quan trọng khác trong ngành quang phổ.
d. Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn
Thời gian ban đầu thông thường người ta chế tạo các lo
ại laser phát liên
tục hoặc phát xung ở chế độ tự do với độ dài xung cỡ ms (1/1000 giây).
Nhưng với tiến trình phát triển công nghệ cao trong lĩnh vực laser, người ta đã
đạt được việc phát đồng bộ chế độ cho phép tập trung năng lượng tia laser
trong thời gian xung rất ngắn chỉ cỡ vài nano giây (1 phần tỷ giây) hoặc pico
giây (1 phần nghìn tỉ giây). Cho đến nay cũng chỉ có laser có khả năng phát

với thời gian ngắn như v
ậy. Những laser này có ứng dụng to lớn nhất là trong
các ngành khoa học cơ bản, kể cả trong y tế.
e. Công suất phát laser
Công suất của laser rất thay đổi tuỳ thuộc vào từng loại cụ thể. Có những
loại laser phát xung (phát xung ngắt quãng) đạt công suất cỡ 1-100 triệu kW
như laser thuỷ tinh Nd. Những laser liên tục cũng có thể đạt công suất cỡ tối
đa 1000kW.
Laser với công suất như vậy thường dùng làm vũ
khí tiêu diệt mục tiêu
đối phương cách xa hàng nghìn cây số. Trong y học thường sử dụng laser
Excimer, laser YAG:Nd phát xung với công suất 10.000kW đến 10 triệu kW,
laser CO
2
, laser Argon phát liên tục từ 1 - 100W và trong vật lý trị liệu thông

9
thường sử dụng laser He-Ne và laser bán dẫn có công suất trung bình từ 0,1 –
10mW.
Bảng 1. Các thông số vật lý của laser
Ký hiệu Đơn vị Công thức tính

Bước sóng
laser

λ
1µm=1/1000m
1nm=1/1000µm
1Ǻ=1/10nm
λ=c/γ

c: tốc độ ánh sáng
c= 300.000 km/s

Công suất laser

P
W
1kW=1000W
P=E/t
E: năng lượng của laser
t: thời gian phát laser

Mật độ công
suất laser

D
W/cm
2
D = P/S
P: Công suất laser
S: tiết diện điểm chiếu laser

Mật độ năng
lượng laser

W
J/cm
2
W = E/S = D.t
E: năng lượng của laser

S: tiết diện điểm chiếu laser
D: Mật độ công suất laser
t: thời gian phát laser

Tóm lại, laser là nguồn ánh sáng đơn sắc nhân tạo với những tính chất
độc đáo và phong phú về chất và lượng. Chính vì vậy laser đã được ứng dụng
vô cùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội. Để ứng dụng laser
trong y tế, chúng ta cần quan tâm đến các thông số trong bảng 1.

10
III. LASER DIODE
III.1 MỞ ĐẦU
Bức xạ laser có được là nhờ năng lượng bơm thông qua hoạt chất đặt
trong buồng cộng hưởng. Thông thường, năng lượng này phải đi qua một
chuỗi biến đổi mới chuyển thành dạng bức xạ cưỡng bức. Ví dụ, ở các laser
được kích thích điện, điện năng trước hết được chuyển sang động năng của
các hạt tích đ
iện trong trường phóng xạ, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự
phóng điện được kích thích để bức xạ. Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một
loạt quá trình trong buồng cộng hưởng mới đạt được khuếch đại và thành bức
xạ laser. Với các laser được kích thích quang, quá trình diễn ra cũng phức tạp
như vậy. Tuy nhiên, với laser diode, lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang
năng lượng bức xạ kết hợp. Sự chuyển hoá này xảy ra trong các laser diode
dạng phun. Ở đây sự kích thích là kết quả trực tiếp của công tạo nên bởi điện
trường đặt trên hạt tải điện trong vật chất. Quá trình phun hạt tải điện là quá
trình rất hữu hiệu đối với sự chuyển năng lượng điện sang năng lượng bức xạ

cưỡng bức. Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất trong
diode vì thực tế các laser diode có thể tạo nên nhờ kích thích quang, nhờ bắn
phá chùm điện tử cũng như nhờ sự đánh thủng thác lũ (avalanche

breakdown).
So với các laser rắn, laser diode khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng
hình học của chúng, đặc biệt laser diode có thể chiếm một thể tích rất nhỏ. Ví
dụ, kích thước của mộ
t laser diode lớn cỡ 1µm. Cần chú ý rằng tính chất vật
lý của bán dẫn cũng biến đổi theo sự thay đổi của các tham số bên ngoài tác
động như áp suất, nhiệt độ và điểm này là sự khác biệt nổi bật nữa so với
các laser tinh thể hay thuỷ tinh. Chính do có các khác biệt nêu ở trên mà sự
phân tích chế độ hoạt động, điều kiện phát, các đặc trưng mode ở laser diode
khác hẳn với ở laser rắn hay khí làm vi
ệc theo các mức năng lượng. Quá trình

11
trao đổi năng lượng khác nhau và đặc thù trong chất bán dẫn đã thu hút sự
chú ý của nhiều nhà khoa học và có thể thấy rằng nhiều công trình lý thuyết
về laser diode đã ra đời trước khi xuất hiện laser diode trong phòng thí
nghiệm. Để có thể hiểu được sự hoạt động của laser diode, trước hết cần biết
một số đặc trưng và cấu trúc của laser diode.
III.2 CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN
III.2.1 Ch
ất bán dẫn thuần
Ở nhiệt độ thấp trong tinh thể bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử,
hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn là chất không
dẫn điện. Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên một số điện tử được kích thích
bởi năng lượng nhiệt và nếu năng lượng đủ lớn
để vượt qua được vùng cấm
chúng sẽ chiếm một số mức năng lượng trong vùng dẫn. Các điện tử sau khi
dịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời cũng để lại các lỗ trống tương ứng trong
vùng hóa trị. Quá trình trên tạo ra điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống
trong vùng hóa trị tức là tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể chất bán dẫn,

chúng tạo ra khả năng d
ẫn điện của bán dẫn.
Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo xác
suất Fermi-Dirac:
)exp(1
1
)(
KT
EE
EF
f
−
+
=
(1)
Trong đó:
F(E) là xác xuất tìm thấy điện tử tại mức năng lượng E.
E
f
là mức năng lượng tương ứng khi F(E
f
) = 0.5 hay còn gọi là năng
lượng Fermi.
Như vậy theo biểu thức (1) khi tăng nhiệt độ T thì xác xuất phân bố điện tử
trong vùng dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong vùng dẫn. Ngược

12
lại khi nhiệt độ giảm tới không thì xác suất xuất hiện điện tử trong vùng dẫn
hầu như bằng không.

Hình 6. Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng
trong bán dẫn thuần.
Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn và xác suất xuất hiện điện tử trong
các mức năng lượng đó rồi tích phân trên toàn vùng.

∫
∞
=
EC
dEEFESn )().(
(2)
Do nồng độ điện tử trong vùng dẫn tập trung chủ yếu gần mức năng lượng
E
c
và hầu như không tồn tại ở các mức năng lượng cao, nên ta có thể tính toán
xấp xỉ:

Ncn = exp )(
KT
EE
fc
−
(3)

Trong đó: N
c
=
2
2/3
.22
h
KTm
e
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
π

M
e
là khối lượng của điện tử ;
K là hằng số Boltzmann ;
Phân bố lỗ
trống
Năng lượng
Vùng hoá trị

E
c





E
f

Vùng dẫn
Phân bố điệ
n
t
ử t
ự
do

13
h là hằng số Planck.
Tương tự như trên, mật độ lỗ trống p tương ứng trong vùng hoá trị có thể
xác định bởi :

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
−
≈
KT
EE
Np
v
v
exp
(4)
với

(
)
2
2/3
.22
h
KTm
N
p
v
π
=

m
p
là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống.
Các điện tử trong vùng hoá trị được kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịch chuyển
lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tương ứng trong vùng hoá trị. Do đó trong

chất bán dẫn thuần nồng độ điện tử trong vùng dẫn n phải bằng nồng độ lỗ
trống trong vùng hoá trị.

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
KT
EE
N
KT
EE
N
v
v

c
c
expexp
(5)
Hay :

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
c
v
g
N
N
KT
E
E ln
22
(6)
Trong đó: E
g
là độ rộng vùng cấm cuả bán dẫn. Do N
v
≈ N

c
nên E
f
≈ E
g
/2.
Như vậy trong bán dẫn thuần có thể coi mức năng lượng Fermi nằm ở giữa
vùng dẫn và vùng hoá trị. Nếu coi nồng độ hiệu dụng hạt dẫn trong bán dẫn là
n
i
đặc trưng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì:

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
=
KT
EE
NN
KT
EE
N
KT
EE
N
npn
vc
vc

v
v
c
c
i
2
exp
exp.exp
.
2/1

Vậy

14

()
()
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
KT
E
mm
h

KT
n
g
pei
2
exp
.22
4/3
2
2/3
π
(7)
Tóm lại, trong chất bán dẫn, nếu giữ nhiệt độ không đổi cả đối với bán dẫn
thuần và bán dẫn pha tạp và không phụ thuộc vào E
f
nhưng lại phụ thuộc vào
độ rộng vùng cấm của bán dẫn.
III.2.2 Bán dẫn pha tạp.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, người ta pha một lượng nhỏ các
nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn. Có hai loại bán dẫn pha tạp
là:
Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc
nhóm III, dẫn điện ch
ủ yếu bằng các lỗ trống.
Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố thuôc
nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp
ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính.
Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết
vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm
trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điệ

n tử dễ dàng chuyển lên
vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính
dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay
đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.
Tương tự như thế, trong bán dẫn p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp
một lỗ tr
ống trong vùng hoá trị. Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n là N
d
và
loại p là N
a
xác định mức năng lượng Fermi của bán dẫn theo biểu thức:

c
fnc
d
N
KT
EE
Nn
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
== exp

(8)

c
d
cfn
N
N
KTEE ln+=
(9)

15

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
==
KT
EE
NNp
vfp
va
exp
(10)

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
v
a
vfp
N
N
KTEE ln
(11)
Như vậy theo biểu thức (9) và (11) thì bán dẫn pha tạp loại n có mức năng
lượng Fermi tăng dần tiến tới gần đáy của vùng dẫn khi nồng độ pha tạp N
d

tăng, ngược lại mức năng lượng Fermi trong bán dẫn loại p lại giảm dần tới
đỉnh vùng hoá trị khi nồng độ pha tạp N
a
tăng. Phân bố tập trung điện tử lỗ
trống như hình 7.


Hình 7. Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong
a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p
Phân bố tập

trung hạt dẫn
Năn
g
lượn
g
Vùn
g
hoá t
r
ị

E
c


E
f






Vùn
g

d
ẫn
a
)

Vùng hoá trị
b)
Phân bố tập
trung hạt dẫn
Năng lượng



E
c




Vùng dẫn

16
III.3 VÀI NÉT VỀ CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA LASER
DIODE.
III.3.1
Cấu trúc vùng năng lượng của diode
Theo lý thuyết vùng của bán dẫn, năng lượng của điện tử là một hàm của
xung lượng p hay của vectơ sóng tương ứng
h
ρ
κ
=
,
π
2

h
=h
với h là hằng số
Plank). Hàm năng lượng E có dạng các parabol (hình 8)
Đường parabol trên ứng với năng lượng điện tử ở vùng dẫn, đường parabol
dưới tương ứng với năng lượng lỗ trống ở vùng hoá trị. Tuỳ theo chất bán dẫn
mà đỉnh của các parabol sẽ nằm thẳng góc hay xiên góc.
Khi cực tiểu của parabol 1 và cực đại của parabol 2 nằm trên cùng đường
thẳng ta có loại bán dẫn chuyển dờ
i thẳng, ví dụ GaAs là bán dẫn chuyển dời
thẳng.
Khi các điểm nêu ở trên không nằm trên một đường thẳng ta có loại bán
dẫn chuyển dời xiên ví dụ GaP, SiGe là bán dẫn chuyển dời xiên (hình 9).
Khoảng cách giữa 2 điểm cực tiểu, cực đại nói trên xác định độ rộng vùng
cấm. Bình thường điện tử nằm ở vùng hoá trị và nó chỉ có thể chuyển sang
vùng dẫn nhờ tiếp thu năng l
ượng bên ngoài.


Hình 8. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời thẳng


17

Hình 9. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời xiên
III.3.2 Sự hấp thụ và bức xạ trong bán dẫn
Khi có tác dụng của bức xạ bên ngoài, điện tử nằm ở vùng hoá trị sẽ hấp
thu năng lượng và chuyển sang vùng dẫn khi năng lượng hấp thu lớn hơn
năng lượng của vùng cấm, lúc này trong vùng hoá trị sẽ xuất hiện lỗ trống và
tạo nên sự di chuyển mức Fermi (hình 10)

Khi ở vùng dẫn có điện tử và ở vùng hoá trị
có lỗ trống thì khi điện tử trở
về vùng hoá trị nó sẽ tái hợp với lỗ trống và cho bức xạ cưỡng bức, đây là sự
bức xạ tái hợp.
Trong bức xạ tái hợp được phân biệt 2 loại tuỳ theo chất bán dẫn chuyển
dời thẳng hay chuyển dời xiên.
− Trong bán dẫn chuyển dời thẳng, bức xạ tái hợp luôn có sự bảo toàn
năng l
ượng và xung lượng (hay vectơ sóng). Với bức xạ một photon xác suất
tái hợp rất lớn. Những bán dẫn sau cho bức xạ chuyển dời thẳng: GaAs, InP,
GaSb, InAs, InSb, Ga (As
x
, P
1-x
), In
x
Ga
1-x
As, Te, CdS, ZnS, ZnSe, ZnTe,
PbS, PbSe, PbTe
− Trong bán dẫn chuyển dời xiên (hình 2.11). Bức xạ tái hợp xảy ra
hoặc do (i) bức xạ hai photon hoặc (ii) do bức xạ một photon và kéo theo bức
xạ hay hấp thụ một phônon. Trường hợp sau xảy ra do khi tái hợp điện tử với
lỗ trống không thể phát ra một photon với năng lượng (E
c
-E
v
) vì vectơ sóng

18

()
vc
EE
c
−=
h
1
κ
của nó rất nhỏ so với hiệu các vectơ sóng ở trạng thái đầu
và cuối của điện tử. Như vậy theo định luật bảo toàn xung năng lượng trong
dịch chuyển này phải kéo theo sự bức xạ hay hấp thụ phonon đặc trưng bởi
vectơ sóng lớn nhưng có năng lượng nhỏ. Nhìn chung xác suất của quá trình
bức xạ này lớn hơn nhiều xác suất của quá trình bức x
ạ hai photon.

Hình 10.

Hình 11.

III.3.3
Sự biến đổi năng lượng ở lớp tiếp xúc p-n
Khi có hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, chúng ta sẽ tạo
được một lớp tiếp xúc p-n và trong đó có sự cân bằng mức Fermi (hình 12).
Nói chung khi mức Fermi dịch chuyển vào vùng hoá trị hay vùng dẫn chất

19
bán dẫn được gọi là suy biến. Theo lý thuyết bán dẫn, xác suất mà một trong
trạng thái trong vùng dẫn được chiếm, theo thống kê Fermi - Dirac sẽ là:

kT

FE
l
f
c
c
−
+
=
exp
1
(12)
ở đây F
c
là mức Fermi đối với điện tử ở vùng dẫn, E năng lượng của điện
tử trong trạng thái đã cho, T nhiệt độ tuyệt đối. Tương tự biểu thức xác suất
mà một trạng thái trong vùng hoá trị được chiếm sẽ là:

kT
FE
f
v
v
−
+
=
exp1
1
(13)
với F
v

mức Fermi đối với lỗ trống ở vùng hoá trị.

Hình 12

Hình 13