Са брзим развојем оптоелектронске технологије, полупроводнички ласери су пронашли широку примену у областима као што су комуникације, медицинска опрема, ласерско мерење домета, индустријска обрада и потрошачка електроника. У сржи ове технологије лежи PN спој, који игра виталну улогу - не само као извор емисије светлости већ и као основа рада уређаја. Овај чланак пружа јасан и концизан преглед структуре, принципа и кључних функција PN споја у полупроводничким ласерима.
1. Шта је PN спој?
PN спој је интерфејс формиран између полупроводника P-типа и полупроводника N-типа:
Полупроводник П-типа је допиран акцепторским нечистоћама, као што је бор (B), што рупе чини већинским носиоцима наелектрисања.
Полупроводник N-типа је допиран донорским нечистоћама, као што је фосфор (P), што електроне чини већинским носиоцима.
Када се материјали P-типа и N-типа доведу у контакт, електрони из N-региона дифундују у P-регион, а шупљине из P-региона дифундују у N-регион. Ова дифузија ствара област осиромашења где се електрони и шупљине рекомбинују, остављајући за собом наелектрисане јоне који стварају унутрашње електрично поље, познато као уграђена потенцијална баријера.
2. Улога PN споја у ласерима
(1) Убризгавање носача
Када ласер ради, PN спој је поларизован у директном смеру: P-регион је повезан са позитивним напоном, а N-регион са негативним напоном. Ово поништава унутрашње електрично поље, омогућавајући електронима и шупљинама да се убризгавају у активну област на споју, где је вероватно да ће се рекомбиновати.
(2) Емисија светлости: Порекло стимулисане емисије
У активном подручју, убризгани електрони и шупљине се рекомбинују и ослобађају фотоне. У почетку је овај процес спонтана емисија, али како се густина фотона повећава, фотони могу стимулисати даљу рекомбинацију електрона и шупљина, ослобађајући додатне фотоне са истом фазом, правцем и енергијом – ово је стимулисана емисија.
Овај процес чини основу ласера (појачавање светлости стимулисаном емисијом зрачења).
(3) Појачање и резонантне шупљине формирају ласерски излаз
Да би појачали стимулисану емисију, полупроводнички ласери укључују резонантне шупљине са обе стране PN споја. Код ласерских система који емитују ивице, на пример, ово се може постићи коришћењем дистрибуираних Брегових рефлектора (DBR) или премаза огледала за рефлектовање светлости напред-назад. Ова поставка омогућава појачавање специфичних таласних дужина светлости, што на крају резултира високо кохерентним и усмереним ласерским излазом.
3. PN спојне структуре и оптимизација дизајна
У зависности од типа полупроводничког ласера, PN структура може да варира:
Једнострука хетероспојница (SH):
P-регион, N-регион и активни регион су направљени од истог материјала. Рекомбинациони регион је широк и мање ефикасан.
Двострука хетероспојница (DH):
Ужи активни слој са забрањеном енергетском ширином је смештен између P- и N-регија. Ово ограничава и носиоце и фотоне, значајно побољшавајући ефикасност.
Структура квантне бунаре:
Користи ултратанки активни слој за стварање ефеката квантног ограничења, побољшавајући карактеристике прага и брзину модулације.
Све ове структуре су дизајниране да побољшају ефикасност убризгавања носача, рекомбинације и емисије светлости у региону ПН споја.
4. Закључак
ПН спој је заиста „срце“ полупроводничког ласера. Његова способност да убризгава носиоце под директним напоном је основни покретач за генерисање ласера. Од структурног дизајна и избора материјала до контроле фотона, перформансе целог ласерског уређаја се врте око оптимизације ПН споја.
Како оптоелектронске технологије настављају да напредују, дубље разумевање физике PN споја не само да побољшава перформансе ласера, већ и поставља чврсту основу за развој следеће генерације полупроводничких ласера велике снаге, велике брзине и јефтине производње.
Време објаве: 28. мај 2025.