Puolijohdelasereiden ydin: PN-liitoksen ymmärtäminen

Optoelektronisen teknologian nopean kehityksen myötä puolijohdelaserit ovat löytäneet laajan sovelluksen esimerkiksi viestinnässä, lääketieteellisissä laitteissa, laseretäisyysmittauksissa, teollisessa prosessoinnissa ja kulutuselektroniikassa. Tämän teknologian ytimessä on PN-liitos, jolla on keskeinen rooli – ei ainoastaan ​​valonlähteenä, vaan myös laitteen toiminnan perustana. Tämä artikkeli tarjoaa selkeän ja tiiviin yleiskatsauksen puolijohdelasereiden PN-liitoksen rakenteesta, periaatteista ja keskeisistä toiminnoista.

1. Mikä on PN-liitos?

PN-liitos on P-tyypin puolijohteen ja N-tyypin puolijohteen välinen rajapinta:

P-tyypin puolijohde on seostettu akseptoriepäpuhtauksilla, kuten boorilla (B), mikä tekee aukoista enemmistön varauksenkuljettajista.

N-tyypin puolijohde on seostettu donoriepäpuhtauksilla, kuten fosforilla (P), mikä tekee elektroneista enemmistön varauksenkuljettajista.

Kun P- ja N-tyypin materiaalit tuodaan kosketuksiin, N-alueen elektronit diffundoituvat P-alueelle ja P-alueen aukot diffundoituvat N-alueelle. Tämä diffuusio luo ehtymisalueen, jossa elektronit ja aukot yhdistyvät uudelleen jättäen jälkeensä varautuneita ioneja, jotka luovat sisäisen sähkökentän, joka tunnetaan sisäänrakennettuna potentiaalivallina.

2. PN-liitoksen rooli lasereissa

(1) Kantaja-aineen injektio

Kun laser toimii, PN-liitos on eteenpäin esijännitetty: P-alue on kytketty positiiviseen jännitteeseen ja N-alue negatiiviseen jännitteeseen. Tämä kumoaa sisäisen sähkökentän, jolloin elektronit ja aukot pääsevät injektoimaan liitoksen aktiiviseen alueeseen, jossa ne todennäköisesti yhdistyvät uudelleen.

(2) Valon emissio: Stimuloidun emission alkuperä

Aktiivisella alueella injektoidut elektronit ja aukot yhdistyvät uudelleen ja vapauttavat fotoneja. Aluksi tämä prosessi on spontaania emissiota, mutta fotonitiheyden kasvaessa fotonit voivat stimuloida lisää elektroni-aukko-rekombinaatiota, jolloin vapautuu lisää fotoneja, joilla on sama vaihe, suunta ja energia – tätä kutsutaan stimuloiduksi emissioksi.

Tämä prosessi muodostaa laserin (valonvahvistus stimuloidulla säteilyemissiolla) perustan.

(3) Vahvistus ja resonanssiontelot muodostavat lasersäteen

Stimuloidun emission vahvistamiseksi puolijohdelaserit sisältävät resonanssionteloita PN-liitoksen molemmilla puolilla. Esimerkiksi reunaemissiolasereissa tämä voidaan saavuttaa käyttämällä hajautettuja Bragg-heijastimia (DBR) tai peilipinnoitteita, jotka heijastavat valoa edestakaisin. Tämä järjestely mahdollistaa tiettyjen valon aallonpituuksien vahvistamisen, mikä lopulta johtaa erittäin koherenttiin ja suuntaavaan lasersäteeseen.

3. PN-liitosrakenteet ja suunnittelun optimointi

Puolijohdelaserin tyypistä riippuen PN-rakenne voi vaihdella:

Yksittäinen heteroliitos (SH):
P-alue, N-alue ja aktiivinen alue on valmistettu samasta materiaalista. Rekombinaatioalue on leveä ja vähemmän tehokas.

Kaksinkertainen heteroliitos (DH):
P- ja N-alueiden väliin on sijoitettu kapeampi kaistanaukon aktiivinen kerros. Tämä rajoittaa sekä varauksenkuljettajia että fotoneja, mikä parantaa merkittävästi hyötysuhdetta.

Kvanttikaivon rakenne:
Käyttää erittäin ohutta aktiivikerrosta kvanttirajoitusvaikutusten luomiseen, mikä parantaa kynnysominaisuuksia ja modulointinopeutta.

Nämä rakenteet on kaikki suunniteltu parantamaan kantoaaltojen injektoinnin, rekombinaation ja valon emission tehokkuutta PN-liitosalueella.

4. Johtopäätös

PN-liitos on todellakin puolijohdelaserin "sydän". Sen kyky injektoida varauksenkuljettajia eteenpäin suuntautuvalla esijännitteellä on laserin generoinnin peruslaukaisutekijä. Rakennesuunnittelusta ja materiaalivalinnasta fotonien hallintaan koko laserlaitteen suorituskyky pyörii PN-liitoksen optimoinnin ympärillä.

Optoelektronisten teknologioiden kehittyessä PN-liitosfysiikan syvällisempi ymmärtäminen ei ainoastaan ​​paranna laserin suorituskykyä, vaan myös luo vankan pohjan seuraavan sukupolven suuritehoisten, nopeiden ja edullisten puolijohdelasereiden kehittämiselle.