S brzim razvojem optoelektronske tehnologije, poluprovodnički laseri su pronašli široku primjenu u oblastima kao što su komunikacije, medicinska oprema, lasersko mjerenje udaljenosti, industrijska obrada i potrošačka elektronika. U srži ove tehnologije leži PN spoj, koji igra vitalnu ulogu - ne samo kao izvor emisije svjetlosti, već i kao osnova rada uređaja. Ovaj članak pruža jasan i koncizan pregled strukture, principa i ključnih funkcija PN spoja u poluprovodničkim laserima.
1. Šta je PN spoj?
PN spoj je granična površina formirana između poluprovodnika P-tipa i poluprovodnika N-tipa:
Poluprovodnik P-tipa je dopiran akceptorskim nečistoćama, kao što je bor (B), što šupljine čini većinskim nosiocima naboja.
Poluprovodnik N-tipa je dopiran donorskim nečistoćama, kao što je fosfor (P), što elektrone čini većinskim nosiocima.
Kada se materijali P-tipa i N-tipa dovedu u kontakt, elektroni iz N-regije difundiraju u P-regiju, a šupljine iz P-regije difundiraju u N-regiju. Ova difuzija stvara osiromašeno područje gdje se elektroni i šupljine rekombiniraju, ostavljajući iza sebe nabijene ione koji stvaraju unutrašnje električno polje, poznato kao ugrađena potencijalna barijera.
2. Uloga PN spoja u laserima
(1) Ubrizgavanje nosača
Kada laser radi, PN spoj je polariziran u direktnom smjeru: P-regija je povezana na pozitivni napon, a N-regija na negativni napon. Ovo poništava unutrašnje električno polje, omogućavajući elektronima i šupljinama da se ubrizgaju u aktivnu regiju na spoju, gdje će se vjerovatno rekombinirati.
(2) Emisija svjetlosti: Porijeklo stimulisane emisije
U aktivnom području, injektirani elektroni i šupljine se rekombiniraju i oslobađaju fotone. U početku je ovaj proces spontana emisija, ali kako se gustoća fotona povećava, fotoni mogu stimulirati daljnju rekombinaciju elektrona i šupljina, oslobađajući dodatne fotone s istom fazom, smjerom i energijom - ovo je stimulirana emisija.
Ovaj proces čini osnovu lasera (pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja).
(3) Pojačanje i rezonantne šupljine formiraju laserski izlaz
Da bi pojačali stimuliranu emisiju, poluprovodnički laseri uključuju rezonantne šupljine s obje strane PN spoja. Kod lasera koji emituju rubno, na primjer, to se može postići korištenjem distribuiranih Braggovih reflektora (DBR) ili premaza ogledala za reflektiranje svjetlosti naprijed-nazad. Ova postavka omogućava pojačavanje specifičnih valnih dužina svjetlosti, što na kraju rezultira visoko koherentnim i usmjerenim laserskim izlazom.
3. PN spojne strukture i optimizacija dizajna
U zavisnosti od tipa poluprovodničkog lasera, PN struktura može varirati:
Jednostruka heterospoja (SH):
P-regija, N-regija i aktivna regija su napravljene od istog materijala. Rekombinacijska regija je široka i manje efikasna.
Dvostruka heterospoja (DH):
Uži aktivni sloj sa manjim energetskim procjepom nalazi se između P- i N-područja. Ovo ograničava i nosioce naboja i fotone, značajno poboljšavajući efikasnost.
Struktura kvantne jame:
Koristi ultra tanki aktivni sloj za stvaranje efekata kvantnog ograničenja, poboljšavajući karakteristike praga i brzinu modulacije.
Sve ove strukture su dizajnirane da poboljšaju efikasnost ubrizgavanja nosilaca naboja, rekombinacije i emisije svjetlosti u području PN spoja.
4. Zaključak
PN spoj je zaista "srce" poluprovodničkog lasera. Njegova sposobnost ubrizgavanja nosioca naboja pod direktnim naponom je osnovni pokretač za generisanje lasera. Od strukturnog dizajna i odabira materijala do kontrole fotona, performanse cijelog laserskog uređaja se vrte oko optimizacije PN spoja.
Kako optoelektronske tehnologije nastavljaju napredovati, dublje razumijevanje fizike PN spoja ne samo da poboljšava performanse lasera, već i postavlja čvrstu osnovu za razvoj sljedeće generacije poluprovodničkih lasera velike snage, velike brzine i niske cijene.
Vrijeme objave: 28. maj 2025.