Со брзиот развој на оптоелектронската технологија, полупроводничките ласери пронајдоа широка примена во области како што се комуникациите, медицинската опрема, ласерското мерење, индустриската обработка и потрошувачката електроника. Во сржта на оваа технологија лежи PN спојот, кој игра витална улога - не само како извор на емисија на светлина, туку и како основа на работата на уредот. Оваа статија дава јасен и концизен преглед на структурата, принципите и клучните функции на PN спојот кај полупроводничките ласери.
1. Што е PN спој?
PN спој е интерфејсот формиран помеѓу P-тип полупроводник и N-тип полупроводник:
P-тип полупроводник е допиран со акцепторски нечистотии, како што е бор (B), што ги прави дупките најчесто носители на полнеж.
N-тип полупроводникот е допиран со донорски нечистотии, како што е фосфорот (P), што ги прави електроните мнозински носители.
Кога материјалите од P-тип и N-тип ќе се доведат во контакт, електроните од N-регионот дифундираат во P-регионот, а дупките од P-регионот дифундираат во N-регионот. Оваа дифузија создава област на осиромашување каде што електроните и дупките се рекомбинираат, оставајќи зад себе наелектризирани јони кои создаваат внатрешно електрично поле, познато како вградена потенцијална бариера.
2. Улогата на PN спојот кај ласерите
(1) Инјектирање на носач
Кога ласерот работи, PN спојот е насочен напред: P-регионот е поврзан со позитивен напон, а N-регионот со негативен напон. Ова го поништува внатрешното електрично поле, дозволувајќи електроните и дупките да бидат инјектирани во активниот регион на спојот, каде што веројатно ќе се рекомбинираат.
(2) Емисија на светлина: Потеклото на стимулираната емисија
Во активниот регион, инјектираните електрони и дупки се рекомбинираат и ослободуваат фотони. Првично, овој процес е спонтана емисија, но како што се зголемува густината на фотоните, фотоните можат да стимулираат понатамошна рекомбинација на електрон-дупка, ослободувајќи дополнителни фотони со иста фаза, насока и енергија - ова е стимулирана емисија.
Овој процес ја формира основата на ласерот (засилување на светлината со стимулирана емисија на зрачење).
(3) Засилувањето и резонантните шуплини формираат ласерски излез
За да се засили стимулираната емисија, полупроводничките ласери вклучуваат резонантни шуплини од двете страни на PN спојот. Кај ласерите што емитуваат рабови, на пример, ова може да се постигне со користење на дистрибуирани Брегови рефлектори (DBR) или огледални облоги за рефлектирачка светлина напред-назад. Ова поставување овозможува засилување на специфични бранови должини на светлината, што на крајот резултира со високо кохерентен и насочен ласерски излез.
3. Структури на споеви на PN и оптимизација на дизајнот
Во зависност од типот на полупроводнички ласер, PN структурата може да варира:
Единечна хетероспојка (SH):
P-регионот, N-регионот и активниот регион се направени од ист материјал. Регионот за рекомбинација е широк и помалку ефикасен.
Двојна хетероспојка (DH):
Потесен активен слој со енергетски јаз е сместен помеѓу P- и N-регионите. Ова ги ограничува и носителите и фотоните, значително подобрувајќи ја ефикасноста.
Структура на квантен бунар:
Користи ултратенок активен слој за да создаде ефекти на квантно ограничување, подобрувајќи ги карактеристиките на прагот и брзината на модулација.
Сите овие структури се дизајнирани да ја зголемат ефикасноста на инјектирањето на носачи, рекомбинацијата и емисијата на светлина во регионот на PN спојот.
4. Заклучок
PN спојот е навистина „срцето“ на полупроводничкиот ласер. Неговата способност да инјектира носители под директна струја е фундаменталниот поттик за генерирање на ласер. Од структурниот дизајн и изборот на материјал до контролата на фотоните, перформансите на целиот ласерски уред се врти околу оптимизирање на PN спојот.
Како што оптоелектронските технологии продолжуваат да напредуваат, подлабокото разбирање на физиката на PN спојот не само што ги подобрува перформансите на ласерот, туку и поставува солидна основа за развој на следната генерација на високомоќни, брзи и нискобуџетни полупроводнички ласери.
Време на објавување: 28 мај 2025 година