Līdz ar straujo optoelektroniskās tehnoloģijas attīstību pusvadītāju lāzeri ir atraduši plašu pielietojumu tādās jomās kā komunikācijas, medicīnas iekārtas, lāzera tālmēru mērīšana, rūpnieciskā apstrāde un plaša patēriņa elektronika. Šīs tehnoloģijas pamatā ir PN pāreja, kurai ir būtiska loma — ne tikai kā gaismas emisijas avotam, bet arī kā ierīces darbības pamatam. Šajā rakstā sniegts skaidrs un kodolīgs pārskats par PN pārejas struktūru, principiem un galvenajām funkcijām pusvadītāju lāzeros.
1. Kas ir PN savienojums?
PN savienojums ir saskarne, kas veidojas starp P tipa pusvadītāju un N tipa pusvadītāju:
P tipa pusvadītājs ir leģēts ar akceptoru piemaisījumiem, piemēram, boru (B), padarot caurumus par vairākuma lādiņnesējiem.
N tipa pusvadītājs ir leģēts ar donoru piemaisījumiem, piemēram, fosforu (P), padarot elektronus par vairākuma nesējiem.
Kad P tipa un N tipa materiāli nonāk saskarē, elektroni no N reģiona difundē P reģionā, un caurumi no P reģiona difundē N reģionā. Šī difūzija rada noplicināšanas reģionu, kur elektroni un caurumi rekombinējas, atstājot aiz sevis lādētus jonus, kas rada iekšēju elektrisko lauku, kas pazīstams kā iebūvēta potenciāla barjera.
2. PN pārejas loma lāzeros
(1) Nesējvielas injekcija
Kad lāzers darbojas, PN pāreja ir tiešā sprieguma stāvoklī: P apgabals ir savienots ar pozitīvu spriegumu, bet N apgabals — ar negatīvu spriegumu. Tas atceļ iekšējo elektrisko lauku, ļaujot elektroniem un caurumiem iekļūt pārejas aktīvajā apgabalā, kur tie, visticamāk, rekombinēsies.
(2) Gaismas emisija: stimulētās emisijas izcelsme
Aktīvajā apgabalā injicētie elektroni un caurumi rekombinējas un atbrīvo fotonus. Sākotnēji šis process ir spontāna emisija, bet, palielinoties fotonu blīvumam, fotoni var stimulēt turpmāku elektronu-caurumu rekombināciju, atbrīvojot papildu fotonus ar tādu pašu fāzi, virzienu un enerģiju — to sauc par stimulēto emisiju.
Šis process veido lāzera (gaismas pastiprināšana ar stimulētu starojuma emisiju) pamatu.
(3) Lāzera izejas pastiprinājums un rezonanses dobumi
Lai pastiprinātu stimulēto emisiju, pusvadītāju lāzeriem ir rezonanses dobumi abās PN pārejas pusēs. Piemēram, malu izstarojošos lāzeros to var panākt, izmantojot izkliedētos Brega reflektorus (DBR) vai spoguļpārklājumus, lai atstarotu gaismu uz priekšu un atpakaļ. Šī iekārta ļauj pastiprināt noteiktus gaismas viļņu garumus, galu galā iegūstot ļoti koherentu un virzītu lāzera starojumu.
3. PN savienojuma konstrukcijas un konstrukcijas optimizācija
Atkarībā no pusvadītāju lāzera veida, PN struktūra var atšķirties:
Viena heterosavienojums (SH):
P-reģions, N-reģions un aktīvais reģions ir izgatavoti no viena un tā paša materiāla. Rekombinācijas reģions ir plašs un mazāk efektīvs.
Dubultā heterosavienojums (DH):
Starp P un N reģioniem ir ievietots šaurāks joslas spraugas aktīvais slānis. Tas ierobežo gan nesējus, gan fotonus, ievērojami uzlabojot efektivitāti.
Kvantu akas struktūra:
Izmanto īpaši plānu aktīvo slāni, lai radītu kvantu ierobežošanas efektus, uzlabojot sliekšņa raksturlielumus un modulācijas ātrumu.
Šīs struktūras ir paredzētas, lai uzlabotu nesēju injekcijas, rekombinācijas un gaismas emisijas efektivitāti PN savienojuma reģionā.
4. Secinājums
PN pāreja patiesi ir pusvadītāju lāzera "sirds". Tās spēja injicēt nesējus ar tiešu nobīdi ir galvenais lāzera ģenerēšanas ierosinātājs. Sākot ar konstrukcijas dizainu un materiālu izvēli līdz fotonu kontrolei, visas lāzerierīces veiktspēja ir atkarīga no PN pārejas optimizācijas.
Optoelektroniskajām tehnoloģijām turpinot attīstīties, dziļāka PN pārejas fizikas izpratne ne tikai uzlabo lāzera veiktspēju, bet arī liek stabilu pamatu nākamās paaudzes augstas jaudas, ātrgaitas un lētu pusvadītāju lāzeru izstrādei.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 28. maijs