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 PN, 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 i kluczowych funkcji złącza PN w laserach półprzewodnikowych.
1. Czym jest złącze PN?
Złącze PN to interfejs utworzony między półprzewodnikiem typu P i 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.
Gdy materiały typu P i typu N zostaną ze sobą zetknięte, elektrony z obszaru N dyfundują do obszaru P, a dziury z obszaru P dyfundują do obszaru N. Ta dyfuzja tworzy obszar zubożenia, w którym elektrony i dziury rekombinują, pozostawiając naładowane jony, które tworzą wewnętrzne pole elektryczne, znane jako wbudowana bariera potencjału.
2. Rola złącza PN w laserach
(1) Wstrzyknięcie nośnika
Gdy laser działa, złącze PN jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia: obszar P jest podłączony do napięcia dodatniego, a obszar N do napięcia ujemnego. To anuluje wewnętrzne pole elektryczne, umożliwiając wstrzykiwanie elektronów i dziur do obszaru aktywnego na złączu, gdzie prawdopodobnie ulegną rekombinacji.
(2) Emisja światła: Pochodzenie emisji wymuszonej
W obszarze aktywnym wstrzykiwane elektrony i dziury rekombinują i uwalniają fotony. Początkowo proces ten jest emisją spontaniczną, ale w miarę wzrostu gęstości fotonów fotony mogą stymulować dalszą rekombinację elektron-dziura, uwalniając dodatkowe 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 PN. Na przykład w laserach emitujących krawędziowo można to osiągnąć, stosując rozproszone reflektory Bragga (DBR) lub powłoki lustrzane, aby odbijać światło w obie strony. Taka konfiguracja umożliwia wzmocnienie określonych długości fal światła, co ostatecznie skutkuje wysoce spójnym i kierunkowym wyjściem lasera.
3. Struktury złącz PN i optymalizacja projektu
W zależności od rodzaju lasera półprzewodnikowego struktura PN może się różnić:
Pojedyncze heterozłącze (SH):
Region P, region N i region aktywny są wykonane z tego samego materiału. Region rekombinacji jest szeroki i mniej wydajny.
Podwójne heterozłącze (DH):
Węższa aktywna warstwa pasma jest umieszczona pomiędzy regionami P i N. Ogranicza to zarówno nośniki, jak i fotony, znacznie zwiększając 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 wtrysku nośników, rekombinacji i emisji światła w obszarze złącza PN.
4. Wnioski
Złącze PN jest prawdziwym „sercem” lasera półprzewodnikowego. Jego zdolność do wstrzykiwania nośników przy polaryzacji w kierunku przewodzenia jest podstawowym wyzwalaczem generacji lasera. Od projektu strukturalnego i doboru materiałów po kontrolę fotonów, wydajność całego urządzenia laserowego obraca się wokół optymalizacji złącza PN.
W miarę postępu technologii optoelektronicznych, głębsze zrozumienie fizyki złączy PN nie tylko zwiększa wydajność lasera, ale także tworzy solidne podstawy do opracowania nowej generacji laserów półprzewodnikowych o dużej mocy, dużej prędkości i niskich kosztach.
Czas publikacji: 28-05-2025