Sparčiai tobulėjant optoelektronikos technologijoms, puslaidininkiniai lazeriai buvo plačiai taikomi tokiose srityse kaip ryšių, medicinos įrangos, lazerinio diapazono matavimo, pramoninio apdorojimo ir plataus vartojimo elektronikos pramonė. Šios technologijos pagrindas yra PN sandūra, kuri atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį – ne tik kaip šviesos šaltinis, bet ir kaip įrenginio veikimo pagrindas. Šiame straipsnyje pateikiama aiški ir glausta PN sandūros puslaidininkiniuose lazeriuose struktūros, principų ir pagrindinių funkcijų apžvalga.
1. Kas yra PN sandūra?
PN sandūra yra sąsaja, susidariusi tarp P tipo puslaidininkio ir N tipo puslaidininkio:
P tipo puslaidininkis yra legiruotas akceptorinėmis priemaišomis, tokiomis kaip boras (B), todėl skylės tampa pagrindiniais krūvininkais.
N tipo puslaidininkis yra legiruotas donorinėmis priemaišomis, tokiomis kaip fosforas (P), todėl elektronai yra daugumos krūvininkai.
Kai P ir N tipo medžiagos liečiasi, elektronai iš N srities difunduoja į P sritį, o skylės iš P srities difunduoja į N sritį. Dėl šios difuzijos susidaro išeikvojimo sritis, kurioje elektronai ir skylės rekombinuojasi, palikdamos įkrautus jonus, kurie sukuria vidinį elektrinį lauką, vadinamą įmontuotu potencialo barjeru.
2. PN sandūros vaidmuo lazeriuose
(1) Nešiklio injekcija
Kai lazeris veikia, PN sandūra yra tiesiogiai poliarizuota: P sritis prijungta prie teigiamos įtampos, o N sritis – prie neigiamos. Tai panaikina vidinį elektrinį lauką, leisdama elektronams ir skylėms patekti į aktyviąją sandūros sritį, kur jie greičiausiai rekombinuos.
(2) Šviesos emisija: stimuliuojamos emisijos kilmė
Aktyviojoje srityje įšvirkšti elektronai ir skylės rekombinuojasi ir išskiria fotonus. Iš pradžių šis procesas yra savaiminė emisija, tačiau didėjant fotonų tankiui, fotonai gali paskatinti tolesnę elektronų ir skylių rekombinaciją, išskirdami papildomus tos pačios fazės, krypties ir energijos fotonus – tai yra stimuliuojamoji emisija.
Šis procesas sudaro lazerio (šviesos stiprinimas stimuliuojamos spinduliuotės būdu) pagrindą.
(3) Lazerio išvesties stiprinimas ir rezonansinės ertmės
Siekiant sustiprinti stimuliuojamą emisiją, puslaidininkiniai lazeriai abiejose PN sandūros pusėse turi rezonansines ertmes. Pavyzdžiui, kraštinio spinduliavimo lazeriuose tai galima pasiekti naudojant paskirstytus Brego reflektorius (DBR) arba veidrodines dangas, kurios atspindi šviesą pirmyn ir atgal. Ši konfigūracija leidžia sustiprinti tam tikrus šviesos bangos ilgius, galiausiai gaunant labai koherentinį ir kryptingą lazerio spinduliavimą.
3. PN sandūrų konstrukcijos ir projektavimo optimizavimas
Priklausomai nuo puslaidininkinio lazerio tipo, PN struktūra gali skirtis:
Viena heterosandūra (SH):
P sritis, N sritis ir aktyvioji sritis yra pagamintos iš tos pačios medžiagos. Rekombinacinė sritis yra plati ir mažiau efektyvi.
Dviguba heterosandūra (DH):
Tarp P ir N sričių yra įterptas siauresnis draustosios juostos aktyvusis sluoksnis. Tai apriboja ir krūvininkus, ir fotonus, žymiai pagerindama efektyvumą.
Kvantinio šulinio struktūra:
Naudoja itin ploną aktyvųjį sluoksnį, kad sukurtų kvantinio sulaikymo efektus, pagerindamas slenksčio charakteristikas ir moduliacijos greitį.
Visos šios struktūros yra skirtos padidinti nešėjų injekcijos, rekombinacijos ir šviesos emisijos efektyvumą PN sandūros srityje.
4. Išvada
PN sandūra iš tiesų yra puslaidininkinio lazerio „širdis“. Jos gebėjimas įpurškti krūvininkus esant tiesioginei įtampai yra pagrindinis lazerio generavimo veiksnys. Nuo konstrukcijos projektavimo ir medžiagų parinkimo iki fotonų valdymo – viso lazerinio įrenginio veikimas sukasi apie PN sandūros optimizavimą.
Optoelektronikos technologijoms toliau tobulėjant, gilesnis PN sandūros fizikos supratimas ne tik pagerina lazerio veikimą, bet ir sudaro tvirtą pagrindą naujos kartos didelės galios, didelės spartos ir nebrangių puslaidininkinių lazerių kūrimui.
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 28 d.