З хуткім развіццём оптаэлектронных тэхналогій паўправадніковыя лазеры знайшлі шырокае прымяненне ў такіх галінах, як сувязь, медыцынскае абсталяванне, лазерная датаметрыя, прамысловая апрацоўка і бытавая электроніка. У аснове гэтай тэхналогіі ляжыць PN-пераход, які адыгрывае жыццёва важную ролю — не толькі як крыніца выпраменьвання святла, але і як аснова працы прылады. Гэты артыкул дае зразумелы і кароткі агляд структуры, прынцыпаў і ключавых функцый PN-пераходу ў паўправадніковых лазерах.
1. Што такое PN-пераход?
PN-пераход — гэта паверхня мяжы, утвораная паміж паўправаднікамі P-тыпу і N-тыпу:
Паўправаднік P-тыпу легаваны акцэптарнымі прымешкамі, такімі як бор (B), што робіць дзіркі асноўнымі носьбітамі зараду.
Паўправаднік N-тыпу легаваны донарнымі прымешкамі, такімі як фосфар (P), што робіць электроны асноўнымі носьбітамі.
Калі матэрыялы P-тыпу і N-тыпу прыходзяць у кантакт, электроны з N-вобласці дыфузіруюць у P-вобласць, а дзіркі з P-вобласці дыфузіруюць у N-вобласць. Гэтая дыфузія стварае вобласць знясілення, дзе электроны і дзіркі рэкамбінуюцца, пакідаючы зараджаныя іоны, якія ствараюць унутранае электрычнае поле, вядомае як убудаваны патэнцыяльны бар'ер.
2. Роля PN-пераходу ў лазерах
(1) Увядзенне носьбіта
Калі лазер працуе, PN-пераход зрушаны ў прамым кірунку: P-вобласць падключана да станоўчага напружання, а N-вобласць — да адмоўнага. Гэта кампенсуе ўнутранае электрычнае поле, дазваляючы электронам і дзіркам інжэктавацца ў актыўную вобласць на пераходзе, дзе яны, верагодна, рэкамбінуюцца.
(2) Выпраменьванне святла: паходжанне вымушанага выпраменьвання
У актыўнай вобласці інжэкаваныя электроны і дзіркі рэкамбінуюць і вызваляюць фатоны. Спачатку гэты працэс з'яўляецца спантанным выпраменьваннем, але па меры павелічэння шчыльнасці фатонаў фатоны могуць стымуляваць далейшую электронна-дзірачную рэкамбінацыю, вызваляючы дадатковыя фатоны з той жа фазай, кірункам і энергіяй — гэта называецца вымушаным выпраменьваннем.
Гэты працэс ляжыць у аснове лазера (узмацненне святла шляхам вымушанага выпраменьвання радыяцыі).
(3) Узмацненне і рэзанансныя паражніны фарміруюць лазерны выхад
Для ўзмацнення вымушанага выпраменьвання паўправадніковыя лазеры ўключаюць рэзанансныя рэзанатары па абодва бакі ад PN-пераходу. Напрыклад, у лазерах з тарцовым выпраменьваннем гэтага можна дасягнуць з дапамогай размеркаваных брэгаўскіх адбівальнікаў (DBR) або люстраных пакрыццяў для адлюстравання святла туды і назад. Такая ўстаноўка дазваляе ўзмацняць пэўныя даўжыні хваль святла, што ў канчатковым выніку прыводзіць да высокакагерэнтнага і накіраванага лазернага выпраменьвання.
3. Канструкцыі PN-пераходаў і аптымізацыя праектавання
У залежнасці ад тыпу паўправадніковага лазера, структура PN можа адрознівацца:
Адзінарны гетэрапераход (SH):
P-вобласць, N-вобласць і актыўная вобласць выраблены з аднаго і таго ж матэрыялу. Вобласць рэкамбінацыі шырокая і менш эфектыўная.
Падвойны гетэрапераход (DH):
Паміж P- і N-вобласцямі размешчаны актыўны слой з вузейшай забароненай зонай. Гэта абмяжоўвае як носьбіты, так і фатоны, значна павышаючы эфектыўнасць.
Структура квантавай ямы:
Выкарыстоўвае ультратонкі актыўны пласт для стварэння эфектаў квантавага абмежавання, паляпшаючы парогавыя характарыстыкі і хуткасць мадуляцыі.
Усе гэтыя структуры прызначаны для павышэння эфектыўнасці інжэкцыі носьбітаў зарада, рэкамбінацыі і выпраменьвання святла ў вобласці PN-пераходу.
4. Заключэнне
PN-пераход — гэта сапраўды «сэрца» паўправадніковага лазера. Яго здольнасць інжэкаваць носьбіты пад прамым зрушэннем з'яўляецца асноўным фактарам для генерацыі лазера. Ад структурнага праектавання і выбару матэрыялу да кіравання фатонамі, прадукцыйнасць усёй лазернай прылады заключаецца ў аптымізацыі PN-пераходу.
Па меры развіцця оптаэлектронных тэхналогій, больш глыбокае разуменне фізікі PN-пераходу не толькі паляпшае прадукцыйнасць лазера, але і закладвае трывалую аснову для распрацоўкі наступнага пакалення магутных, хуткасных і недарагіх паўправадніковых лазераў.
Час публікацыі: 28 мая 2025 г.