Az optoelektronikai technológia gyors fejlődésével a félvezető lézerek széles körben elterjedtek olyan területeken, mint a kommunikáció, az orvosi berendezések, a lézeres távolságmérés, az ipari feldolgozás és a szórakoztató elektronika. Ennek a technológiának a középpontjában a PN-átmenet áll, amely létfontosságú szerepet játszik – nemcsak a fénykibocsátás forrásaként, hanem az eszköz működésének alapjaként is. Ez a cikk világos és tömör áttekintést nyújt a félvezető lézerek PN-átmenetének szerkezetéről, alapelveiről és főbb funkcióiról.
1. Mi a PN-átmenet?
A PN-átmenet a P-típusú félvezető és az N-típusú félvezető között létrejövő határfelület:
A P-típusú félvezetőt akceptor szennyeződésekkel, például bórral (B) adalékolják, így a lyukak a többségi töltéshordozók.
Az N-típusú félvezetőt donor szennyeződésekkel, például foszforral (P) adalékolják, így az elektronok a többségi töltéshordozók.
Amikor a P- és N-típusú anyagok érintkezésbe kerülnek, az N-tartomány elektronjai a P-tartományba diffundálnak, a P-tartomány lyukai pedig az N-tartományba diffundálnak. Ez a diffúzió egy kiürülési tartományt hoz létre, ahol az elektronok és a lyukak rekombinálódnak, töltéssel rendelkező ionokat hagyva hátra, amelyek belső elektromos teret hoznak létre, amelyet beépített potenciálgátnak neveznek.
2. A PN-átmenet szerepe a lézerekben
(1) Vivőanyag-befecskendezés
Amikor a lézer működik, a PN-átmenet előfeszített: a P-tartomány pozitív, az N-tartomány pedig negatív feszültséghez van csatlakoztatva. Ez kioltja a belső elektromos mezőt, lehetővé téve az elektronok és lyukak befecskendezését az átmenet aktív tartományába, ahol valószínűleg újra egyesülnek.
(2) Fénykibocsátás: Az indukált emisszió eredete
Az aktív tartományban a befecskendezett elektronok és lyukak rekombinálódnak és fotonokat bocsátanak ki. Kezdetben ez a folyamat spontán emisszió, de a fotonsűrűség növekedésével a fotonok további elektron-lyuk rekombinációt válthatnak ki, további, azonos fázisú, irányú és energiájú fotonokat szabadítva fel – ez a stimulált emisszió.
Ez a folyamat képezi a lézer (fényerősítés stimulált sugárzáskibocsátással) alapját.
(3) Erősítés és rezonáns üregek a lézerkimenetből
A gerjesztett emisszió felerősítése érdekében a félvezető lézerek rezonáns üregeket tartalmaznak a PN-átmenet mindkét oldalán. Például az élkibocsátó lézerekben ez elosztott Bragg-reflektorok (DBR) vagy tükörbevonatok segítségével érhető el, amelyek oda-vissza verik vissza a fényt. Ez az elrendezés lehetővé teszi a fény meghatározott hullámhosszainak erősítését, ami végül nagy koherenciájú és irányított lézerkimenetet eredményez.
3. PN átmenetek szerkezetei és tervezési optimalizálás
A félvezető lézer típusától függően a PN szerkezet változhat:
Egyetlen heteroátmenet (SH):
A P-régió, az N-régió és az aktív régió ugyanabból az anyagból készül. A rekombinációs régió széles és kevésbé hatékony.
Kettős heteroátmenet (DH):
Egy keskenyebb tiltott sávú aktív réteg helyezkedik el a P- és N-régiók között. Ez mind a töltéshordozókat, mind a fotonokat korlátozza, jelentősen javítva a hatásfokot.
Kvantumkút szerkezete:
Egy ultravékony aktív réteget használ a kvantumbezárásos effektusok létrehozásához, javítva a küszöbérték-karakterisztikákat és a modulációs sebességet.
Ezek a struktúrák mind a PN-átmenet régiójában a töltéshordozó-befecskendezés, a rekombináció és a fénykibocsátás hatékonyságának fokozására szolgálnak.
4. Következtetés
A PN-átmenet valóban a félvezető lézer „szíve”. Az a képessége, hogy előfeszített feszültség alatt képes töltéshordozókat injektálni, a lézergenerálás alapvető kiváltó oka. A szerkezeti tervezéstől és az anyagválasztástól kezdve a fotonszabályozásig a teljes lézerberendezés teljesítménye a PN-átmenet optimalizálása körül forog.
Az optoelektronikai technológiák folyamatos fejlődésével a PN-átmenet fizikájának mélyebb megértése nemcsak a lézerteljesítményt javítja, hanem szilárd alapot teremt a következő generációs nagy teljesítményű, nagy sebességű és alacsony költségű félvezető lézerek fejlesztéséhez is.
Közzététel ideje: 2025. május 28.