Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei optoelectronice, laserele semiconductoare și-au găsit aplicații pe scară largă în domenii precum comunicațiile, echipamentele medicale, măsurarea distanței cu laser, procesarea industrială și electronica de larg consum. În centrul acestei tehnologii se află joncțiunea PN, care joacă un rol vital - nu numai ca sursă de emisie a luminii, ci și ca fundament al funcționării dispozitivului. Acest articol oferă o prezentare generală clară și concisă a structurii, principiilor și funcțiilor cheie ale joncțiunii PN în laserele semiconductoare.
1. Ce este o joncțiune PN?
O joncțiune PN este interfața formată între un semiconductor de tip P și un semiconductor de tip N:
Semiconductorul de tip P este dopat cu impurități acceptoare, cum ar fi borul (B), ceea ce face ca golurile să fie purtătorii de sarcină majoritari.
Semiconductorul de tip N este dopat cu impurități donoare, cum ar fi fosforul (P), ceea ce face ca electronii să fie purtătorii majoritari.
Când materialele de tip P și de tip N sunt aduse în contact, electronii din regiunea N difuzează în regiunea P, iar golurile din regiunea P difuzează în regiunea N. Această difuzie creează o regiune de epuizare în care electronii și golurile se recombină, lăsând în urmă ioni încărcați care creează un câmp electric intern, cunoscut sub numele de barieră de potențial încorporată.
2. Rolul joncțiunii PN în lasere
(1) Injecție de purtător de aer
Când laserul funcționează, joncțiunea PN este polarizată direct: regiunea P este conectată la o tensiune pozitivă, iar regiunea N la o tensiune negativă. Aceasta anulează câmpul electric intern, permițând injectarea electronilor și a golurilor în regiunea activă de la joncțiune, unde este probabil să se recombine.
(2) Emisia de lumină: Originea emisiei stimulate
În regiunea activă, electronii și golurile injectate se recombină și eliberează fotoni. Inițial, acest proces este emisie spontană, dar pe măsură ce densitatea fotonilor crește, fotonii pot stimula o recombinare suplimentară electron-gol, eliberând fotoni suplimentari cu aceeași fază, direcție și energie - aceasta este emisie stimulată.
Acest proces stă la baza unui laser (Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulată de Radiații).
(3) Câștigul și cavitățile rezonante formează ieșirea laserului
Pentru a amplifica emisia stimulată, laserele semiconductoare includ cavități rezonante pe ambele părți ale joncțiunii PN. În cazul laserelor cu emisie laterală, de exemplu, acest lucru poate fi realizat folosind reflectoare Bragg distribuite (DBR) sau acoperiri oglinzi pentru a reflecta lumina înainte și înapoi. Această configurație permite amplificarea unor lungimi de undă specifice ale luminii, rezultând în cele din urmă o ieșire laser extrem de coerentă și direcțională.
3. Structuri de joncțiune PN și optimizarea designului
În funcție de tipul de laser semiconductor, structura PN poate varia:
Heterojoncțiune simplă (SH):
Regiunea P, regiunea N și regiunea activă sunt fabricate din același material. Regiunea de recombinare este largă și mai puțin eficientă.
Heterojoncțiune dublă (DH):
Un strat activ cu bandă interzisă mai îngustă este intercalat între regiunile P și N. Aceasta limitează atât purtătorii de sarcină, cât și fotonii, îmbunătățind semnificativ eficiența.
Structura sondei cuantice:
Folosește un strat activ ultra-subțire pentru a crea efecte de confinare cuantică, îmbunătățind caracteristicile de prag și viteza de modulație.
Toate aceste structuri sunt concepute pentru a spori eficiența injecției de purtători, recombinării și emisiei de lumină în regiunea joncțiunii PN.
4. Concluzie
Joncțiunea PN este cu adevărat „inima” unui laser semiconductor. Capacitatea sa de a injecta purtători de sarcină sub polarizare directă este factorul fundamental declanșator al generării laserului. De la proiectarea structurală și selecția materialelor până la controlul fotonilor, performanța întregului dispozitiv laser se învârte în jurul optimizării joncțiunii PN.
Pe măsură ce tehnologiile optoelectronice continuă să avanseze, o înțelegere mai profundă a fizicii joncțiunii PN nu numai că îmbunătățește performanța laserelor, dar pune și o bază solidă pentru dezvoltarea următoarei generații de lasere semiconductoare de mare putere, mare viteză și cost redus.
Data publicării: 28 mai 2025