Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii optoelektronicznej, lasery półprzewodnikowe znalazły szerokie zastosowanie w takich dziedzinach jak komunikacja, sprzęt medyczny, dalmierze laserowe, przetwórstwo przemysłowe i elektronika użytkowa. Podstawą tej technologii jest złącze p-n, które odgrywa kluczową rolę – nie tylko jako źródło emisji światła, ale także jako podstawa działania urządzenia. Niniejszy artykuł zawiera jasny i zwięzły przegląd struktury, zasad działania i kluczowych funkcji złącza p-n w laserach półprzewodnikowych.
1. Czym jest złącze PN?
Złącze PN to interfejs utworzony między półprzewodnikiem typu P a półprzewodnikiem typu N:
Półprzewodniki typu P są domieszkowane domieszkami akceptorowymi, takimi jak bor (B), co sprawia, że dziury stają się głównymi nośnikami ładunku.
Półprzewodnik typu N jest domieszkowany domieszkami donorowymi, takimi jak fosfor (P), co sprawia, że elektrony stają się nośnikami większościowymi.
Po zetknięciu się materiałów typu P i typu N, elektrony z obszaru N dyfundują do obszaru P, a dziury z obszaru P do obszaru N. Ta dyfuzja tworzy obszar zubożony, w którym elektrony i dziury rekombinują, pozostawiając naładowane jony, które wytwarzają wewnętrzne pole elektryczne, znane jako wbudowana bariera potencjału.
2. Rola złącza p-n w laserach
(1) Wstrzyknięcie nośnika
Podczas pracy lasera złącze PN jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia: obszar P jest podłączony do napięcia dodatniego, a obszar N do napięcia ujemnego. To znosi wewnętrzne pole elektryczne, umożliwiając wstrzyknięcie elektronów i dziur do obszaru aktywnego na złączu, gdzie prawdopodobnie ulegną rekombinacji.
(2) Emisja światła: Pochodzenie emisji wymuszonej
W obszarze aktywnym wstrzyknięte elektrony i dziury rekombinują, uwalniając fotony. Początkowo proces ten jest emisją spontaniczną, ale wraz ze wzrostem gęstości fotonów, fotony mogą stymulować dalszą rekombinację elektron-dziura, uwalniając kolejne fotony o tej samej fazie, kierunku i energii – jest to emisja wymuszona.
Proces ten stanowi podstawę działania lasera (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania).
(3) Wzmocnienie i wnęki rezonansowe tworzą wyjście lasera
Aby wzmocnić emisję wymuszoną, lasery półprzewodnikowe zawierają wnęki rezonansowe po obu stronach złącza p-n. Na przykład w laserach z emisją krawędziową można to osiągnąć za pomocą rozproszonych reflektorów Bragga (DBR) lub powłok lustrzanych odbijających światło w obie strony. Taka konfiguracja umożliwia wzmocnienie określonych długości fal światła, co ostatecznie prowadzi do wysoce spójnego i kierunkowego sygnału laserowego.
3. Struktury złącz PN i optymalizacja projektu
W zależności od rodzaju lasera półprzewodnikowego struktura PN może się różnić:
Pojedyncze heterozłącze (SH):
Obszar P, obszar N i obszar aktywny są zbudowane z tego samego materiału. Obszar rekombinacji jest szeroki i mniej wydajny.
Podwójne heterozłącze (DH):
Węższa warstwa aktywna o przerwie energetycznej znajduje się pomiędzy obszarami P i N. Ogranicza to zarówno nośniki, jak i fotony, co znacznie poprawia wydajność.
Struktura studni kwantowej:
Wykorzystuje ultracienką warstwę aktywną w celu wytworzenia efektów ograniczenia kwantowego, co poprawia charakterystykę progową i szybkość modulacji.
Wszystkie te struktury zaprojektowano w celu zwiększenia wydajności wstrzykiwania nośników, rekombinacji i emisji światła w obszarze złącza PN.
4. Wnioski
Złącze p-n to prawdziwe „serce” lasera półprzewodnikowego. Jego zdolność do wstrzykiwania nośników pod napięciem przewodzenia jest fundamentalnym czynnikiem stymulującym generację lasera. Od projektu konstrukcyjnego i doboru materiałów po kontrolę fotonów, wydajność całego urządzenia laserowego opiera się na optymalizacji złącza p-n.
W miarę postępu technologii optoelektronicznych coraz lepsze zrozumienie fizyki złączy p-n nie tylko zwiększa wydajność laserów, ale także tworzy solidne podstawy do opracowania nowej generacji laserów półprzewodnikowych o dużej mocy, dużej szybkości i niskich kosztach.
Czas publikacji: 28 maja 2025 r.