Z naglim razvojem optoelektronske tehnologije so polprevodniški laserji našli široko uporabo na področjih, kot so komunikacije, medicinska oprema, lasersko merjenje razdalje, industrijska obdelava in potrošniška elektronika. V središču te tehnologije je PN-sklop, ki igra ključno vlogo – ne le kot vir svetlobne emisije, temveč tudi kot temelj delovanja naprave. Ta članek ponuja jasen in jedrnat pregled strukture, načel in ključnih funkcij PN-sklopa v polprevodniških laserjih.
1. Kaj je PN spoj?
PN-sprehod je vmesnik, ki nastane med polprevodnikom tipa P in polprevodnikom tipa N:
Polprevodnik tipa P je dopiran z akceptorskimi nečistočami, kot je bor (B), zaradi česar so luknje večinski nosilci naboja.
Polprevodnik tipa N je dopiran z donorskimi nečistočami, kot je fosfor (P), zaradi česar so elektroni večinski nosilci.
Ko prideta v stik materiala tipa P in tipa N, elektroni iz območja N difundirajo v območje P, vrzeli iz območja P pa difundirajo v območje N. Ta difuzija ustvari območje osiromašenja, kjer se elektroni in vrzeli rekombinirajo in za seboj pustijo nabite ione, ki ustvarjajo notranje električno polje, znano kot vgrajena potencialna pregrada.
2. Vloga PN-stika v laserjih
(1) Vbrizgavanje nosilca
Ko laser deluje, je PN-stični spoj prednapet v smeri naprej: P-območje je povezano s pozitivno napetostjo, N-območje pa z negativno napetostjo. To izniči notranje električno polje, kar omogoča, da se elektroni in vrzeli vbrizgajo v aktivno območje na stiku, kjer se verjetno ponovno združijo.
(2) Svetlobna emisija: izvor stimulirane emisije
V aktivnem območju se vbrizgani elektroni in vrzeli rekombinirajo in sproščajo fotone. Sprva je ta proces spontana emisija, ko pa se gostota fotonov poveča, lahko fotoni spodbudijo nadaljnjo rekombinacijo elektronov in vrzeli, kar sprosti dodatne fotone z isto fazo, smerjo in energijo – to je stimulirana emisija.
Ta postopek je temelj laserja (ojačanje svetlobe s stimulirano emisijo sevanja).
(3) Ojačanje in resonančne votline tvorijo laserski izhod
Za ojačanje stimulirane emisije polprevodniški laserji vključujejo resonančne votline na obeh straneh PN-stika. Pri laserjih z robnim sevanjem je to na primer mogoče doseči z uporabo porazdeljenih Braggovih reflektorjev (DBR) ali zrcalnih premazov za odboj svetlobe naprej in nazaj. Ta nastavitev omogoča ojačanje določenih valovnih dolžin svetlobe, kar sčasoma povzroči zelo koherenten in usmerjen laserski izhod.
3. Strukture PN stičišč in optimizacija načrtovanja
Struktura PN se lahko razlikuje glede na vrsto polprevodniškega laserja:
Enojna heterospojka (SH):
P-regija, N-regija in aktivna regija so izdelane iz istega materiala. Rekombinacijska regija je široka in manj učinkovita.
Dvojna heterojunkcija (DH):
Med območji P in N je vstavljena ožja aktivna plast z vrzeljo med pasoma. To omejuje tako nosilce kot fotone, kar znatno izboljša učinkovitost.
Struktura kvantne jame:
Uporablja ultra tanko aktivno plast za ustvarjanje učinkov kvantne omejitve, kar izboljša pragovne značilnosti in hitrost modulacije.
Vse te strukture so zasnovane tako, da povečajo učinkovitost vbrizgavanja nosilcev, rekombinacije in oddajanja svetlobe v območju PN stika.
4. Zaključek
PN-sprehod je resnično »srce« polprevodniškega laserja. Njegova sposobnost injiciranja nosilcev naboja pod neposrednim tokom je temeljni sprožilec za generiranje laserja. Od strukturne zasnove in izbire materiala do nadzora fotonov se delovanje celotne laserske naprave vrti okoli optimizacije PN-stika.
Z nadaljnjim napredkom optoelektronskih tehnologij globlje razumevanje fizike PN-sklopov ne le izboljša delovanje laserjev, temveč tudi postavi trdne temelje za razvoj naslednje generacije visokozmogljivih, visokohitrostnih in nizkocenovnih polprevodniških laserjev.
Čas objave: 28. maj 2025