Зі швидким розвитком оптоелектронних технологій напівпровідникові лазери знайшли широке застосування в таких галузях, як зв'язок, медичне обладнання, лазерна локація, промислова обробка та побутова електроніка. В основі цієї технології лежить PN-перехід, який відіграє життєво важливу роль — не лише як джерело випромінювання світла, але й як основа роботи пристрою. Ця стаття надає чіткий та лаконічний огляд структури, принципів та ключових функцій PN-переходу в напівпровідникових лазерах.
1. Що таке PN-перехід?
PN-перехід — це межа розділу, утворена між напівпровідником P-типу та напівпровідником N-типу:
Напівпровідник P-типу легований акцепторними домішками, такими як бор (B), що робить дірки основними носіями заряду.
Напівпровідник N-типу легований донорними домішками, такими як фосфор (P), що робить електрони основними носіями заряду.
Коли матеріали P-типу та N-типу стикаються, електрони з N-області дифундують в P-область, а дірки з P-області дифундують в N-область. Ця дифузія створює область збіднення, де електрони та дірки рекомбінують, залишаючи заряджені іони, які створюють внутрішнє електричне поле, відоме як вбудований потенційний бар'єр.
2. Роль PN-переходу в лазерах
(1) Інжекція носія
Коли лазер працює, PN-перехід зміщений у прямому напрямку: P-область підключена до позитивної напруги, а N-область – до негативної. Це компенсує внутрішнє електричне поле, дозволяючи електронам і діркам інжектуватися в активну область на переході, де вони, ймовірно, рекомбінують.
(2) Випромінювання світла: походження вимушеного випромінювання
В активній області ін'єктовані електрони та дірки рекомбінують та вивільняють фотони. Спочатку цей процес є спонтанним випромінюванням, але зі збільшенням щільності фотонів фотони можуть стимулювати подальшу електрон-діркову рекомбінацію, вивільняючи додаткові фотони з тією ж фазою, напрямком та енергією — це вимушене випромінювання.
Цей процес є основою лазера (підсилення світла шляхом вимушеного випромінювання).
(3) Коефіцієнти посилення та резонансні порожнини формують лазерний вихідний сигнал
Для посилення вимушеного випромінювання напівпровідникові лазери містять резонансні порожнини по обидва боки PN-переходу. Наприклад, у лазерах з торцевим випромінюванням цього можна досягти за допомогою розподілених брэгівських відбивачів (РВО) або дзеркальних покриттів для відбиття світла туди-сюди. Така схема дозволяє посилювати певні довжини хвиль світла, що зрештою призводить до висококогерентного та спрямованого лазерного випромінювання.
3. Конструкції PN-переходів та оптимізація проектування
Залежно від типу напівпровідникового лазера, структура PN може відрізнятися:
Одинарний гетероперехід (SH):
P-область, N-область та активна область виготовлені з одного й того ж матеріалу. Область рекомбінації є широкою та менш ефективною.
Подвійний гетероперехід (DH):
Між P- та N-областями розташований активний шар з вужчою забороненою зоною. Це обмежує як носіїв заряду, так і фотони, що значно підвищує ефективність.
Структура квантової ями:
Використовує надтонкий активний шар для створення ефектів квантового обмеження, покращуючи порогові характеристики та швидкість модуляції.
Всі ці структури розроблені для підвищення ефективності інжекції носіїв заряду, рекомбінації та випромінювання світла в області PN-переходу.
4. Висновок
PN-перехід – це справжнє «серце» напівпровідникового лазера. Його здатність інжектувати носії заряду під дією прямого зміщення є фундаментальним фактором для генерації лазера. Від структурного проектування та вибору матеріалу до керування фотонами, продуктивність усього лазерного пристрою зосереджена на оптимізації PN-переходу.
З розвитком оптоелектронних технологій глибше розуміння фізики PN-переходу не тільки покращує характеристики лазера, але й закладає міцну основу для розробки наступного покоління потужних, високошвидкісних та недорогих напівпровідникових лазерів.
Час публікації: 28 травня 2025 р.