S brzim razvojem optoelektroničke tehnologije, poluvodički laseri pronašli su široku primjenu u područjima kao što su komunikacije, medicinska oprema, lasersko mjerenje udaljenosti, industrijska obrada i potrošačka elektronika. U središtu ove tehnologije leži PN spoj, koji igra vitalnu ulogu - ne samo kao izvor emisije svjetlosti već i kao temelj rada uređaja. Ovaj članak pruža jasan i sažet pregled strukture, principa i ključnih funkcija PN spoja u poluvodičkim laserima.
1. Što je PN spoj?
PN spoj je granica između poluvodiča P-tipa i poluvodiča N-tipa:
P-tip poluvodiča je dopiran akceptorskim nečistoćama, poput bora (B), što šupljine čini većinskim nosiocima naboja.
Poluvodič N-tipa dopiran je donorskim nečistoćama, poput fosfora (P), što elektrone čini većinskim nosiocima naboja.
Kada se materijali P-tipa i N-tipa dovedu u kontakt, elektroni iz N-područja difundiraju u P-područje, a šupljine iz P-područja difundiraju u N-područje. Ova difuzija stvara područje osiromašenja gdje se elektroni i šupljine rekombiniraju, ostavljajući iza sebe nabijene ione koji stvaraju unutarnje električno polje, poznato kao ugrađena potencijalna barijera.
2. Uloga PN spoja u laserima
(1) Ubrizgavanje nosača
Kada laser radi, PN spoj je polariziran u smjeru prolaska: P-područje je spojeno na pozitivni napon, a N-područje na negativni napon. To poništava unutarnje električno polje, omogućujući ubrizgavanje elektrona i šupljina u aktivno područje na spoju, gdje se vjerojatno rekombiniraju.
(2) Emisija svjetlosti: Podrijetlo stimulirane emisije
U aktivnom području, injektirani elektroni i šupljine rekombiniraju i oslobađaju fotone. U početku je ovaj proces spontana emisija, ali kako se gustoća fotona povećava, fotoni mogu potaknuti daljnju rekombinaciju elektrona i šupljina, oslobađajući dodatne fotone s istom fazom, smjerom i energijom - to je stimulirana emisija.
Ovaj proces čini temelj lasera (pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja).
(3) Pojačanje i rezonantne šupljine formiraju laserski izlaz
Za pojačavanje stimulirane emisije, poluvodički laseri uključuju rezonantne šupljine s obje strane PN spoja. Kod lasera s rubnim emitiranjem, na primjer, to se može postići korištenjem distribuiranih Braggovih reflektora (DBR) ili zrcalnih premaza za reflektiranje svjetlosti naprijed-natrag. Ova postavka omogućuje pojačavanje specifičnih valnih duljina svjetlosti, što na kraju rezultira visoko koherentnim i usmjerenim laserskim izlazom.
3. PN spojne strukture i optimizacija dizajna
Ovisno o vrsti poluvodičkog lasera, PN struktura može varirati:
Jednostruka heterospojka (SH):
P-regija, N-regija i aktivna regija izrađene su od istog materijala. Rekombinacijska regija je široka i manje učinkovita.
Dvostruka heterospoja (DH):
Uži aktivni sloj s manjim energetskim razmakom nalazi se između P- i N-područja. To ograničava i nosioce naboja i fotone, značajno poboljšavajući učinkovitost.
Struktura kvantne jame:
Koristi ultra tanki aktivni sloj za stvaranje efekata kvantnog ograničenja, poboljšavajući karakteristike praga i brzinu modulacije.
Sve ove strukture su dizajnirane kako bi se povećala učinkovitost ubrizgavanja nosioca, rekombinacije i emisije svjetlosti u području PN spoja.
4. Zaključak
PN spoj je zaista "srce" poluvodičkog lasera. Njegova sposobnost ubrizgavanja nosioca naboja pod direktnim naponom temeljni je okidač za generiranje lasera. Od strukturnog dizajna i odabira materijala do kontrole fotona, performanse cijelog laserskog uređaja vrte se oko optimizacije PN spoja.
Kako optoelektroničke tehnologije nastavljaju napredovati, dublje razumijevanje fizike PN spoja ne samo da poboljšava performanse lasera, već i postavlja čvrste temelje za razvoj sljedeće generacije poluvodičkih lasera velike snage, velike brzine i niske cijene.
Vrijeme objave: 28. svibnja 2025.