С бързото развитие на оптоелектронните технологии, полупроводниковите лазери намериха широко приложение в области като комуникации, медицинско оборудване, лазерно измерване на радиус, промишлена обработка и потребителска електроника. В основата на тази технология е PN-преходът, който играе жизненоважна роля – не само като източник на светлинно излъчване, но и като основа за работата на устройството. Тази статия предоставя ясен и кратък преглед на структурата, принципите и ключовите функции на PN-прехода в полупроводниковите лазери.
1. Какво е PN преход?
PN преходът е интерфейсът, образуван между P-тип полупроводник и N-тип полупроводник:
P-тип полупроводник е легиран с акцепторни примеси, като бор (B), което прави дупките основни носители на заряд.
N-тип полупроводникът е легиран с донорни примеси, като фосфор (P), което прави електроните мажорни носители.
Когато материалите от P-тип и N-тип се доведат в контакт, електроните от N-областта дифундират в P-областта, а дупките от P-областта дифундират в N-областта. Тази дифузия създава област на изчерпване, където електроните и дупките се рекомбинират, оставяйки след себе си заредени йони, които създават вътрешно електрическо поле, известно като вградена потенциална бариера.
2. Ролята на PN прехода в лазерите
(1) Инжектиране на носител
Когато лазерът работи, PN-преходът е преднапрегнат: P-областта е свързана с положително напрежение, а N-областта с отрицателно напрежение. Това неутрализира вътрешното електрическо поле, позволявайки на електрони и дупки да бъдат инжектирани в активната област на прехода, където е вероятно да се рекомбинират.
(2) Светлинна емисия: Произход на стимулираната емисия
В активната област инжектираните електрони и дупки се рекомбинират и освобождават фотони. Първоначално този процес е спонтанна емисия, но с увеличаване на плътността на фотоните, фотоните могат да стимулират по-нататъшна електрон-дупкова рекомбинация, освобождавайки допълнителни фотони със същата фаза, посока и енергия – това е стимулирана емисия.
Този процес формира основата на лазера (усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация).
(3) Усилването и резонансните кухини формират лазерния изход
За да усилят стимулираното излъчване, полупроводниковите лазери включват резонансни кухини от двете страни на PN прехода. При лазерите с ръбово излъчване, например, това може да се постигне с помощта на разпределени брэгови рефлектори (DBR) или огледални покрития за отразяване на светлината напред-назад. Тази настройка позволява усилване на специфични дължини на вълните на светлината, което в крайна сметка води до силно кохерентен и насочен лазерен изход.
3. PN-преходни конструкции и оптимизация на дизайна
В зависимост от вида на полупроводниковия лазер, PN структурата може да варира:
Единична хетеропреходна връзка (SH):
P-областта, N-областта и активната област са направени от един и същ материал. Рекомбинационната област е широка и по-малко ефективна.
Двойна хетеропреходна връзка (DH):
По-тесен активен слой с забранена зона е разположен между P- и N-области. Това ограничава както носителите, така и фотоните, което значително подобрява ефективността.
Структура на квантовата яма:
Използва ултратънък активен слой за създаване на ефекти на квантово ограничение, подобрявайки праговите характеристики и скоростта на модулация.
Всички тези структури са проектирани да подобрят ефективността на инжектирането на носители, рекомбинацията и излъчването на светлина в областта на PN прехода.
4. Заключение
PN преходът е истинското „сърце“ на полупроводниковия лазер. Способността му да инжектира носители под напрежение в права посока е основният двигател за генериране на лазер. От структурния дизайн и избора на материали до контрола на фотоните, производителността на цялото лазерно устройство се върти около оптимизирането на PN прехода.
С развитието на оптоелектронните технологии, по-задълбоченото разбиране на физиката на PN преходите не само подобрява производителността на лазера, но и полага солидна основа за разработването на следващото поколение високомощни, високоскоростни и евтини полупроводникови лазери.
Време на публикуване: 28 май 2025 г.