Optoelektroonilise tehnoloogia kiire arenguga on pooljuhtlaserid leidnud laialdast rakendust sellistes valdkondades nagu side, meditsiiniseadmed, laserkaugusmõõtmine, tööstuslik töötlemine ja tarbeelektroonika. Selle tehnoloogia keskmes on PN-siire, millel on oluline roll – mitte ainult valguse kiirguse allikana, vaid ka seadme töö alusena. See artikkel annab selge ja kokkuvõtliku ülevaate pooljuhtlaserite PN-siirde struktuurist, põhimõtetest ja põhifunktsioonidest.
1. Mis on PN-ühendus?
PN-siire on P-tüüpi pooljuhi ja N-tüüpi pooljuhi vaheline liides:
P-tüüpi pooljuht on legeeritud aktseptorsete lisanditega, näiteks booriga (B), muutes augud enamuse laengukandjateks.
N-tüüpi pooljuht on legeeritud doonorsete lisanditega, näiteks fosforiga (P), muutes elektronid enamuse laengukandjateks.
Kui P-tüüpi ja N-tüüpi materjalid kokku puutuvad, difundeeruvad N-piirkonna elektronid P-piirkonda ja P-piirkonna augud difundeeruvad N-piirkonda. See difusioon loob ammendumispiirkonna, kus elektronid ja augud rekombineeruvad, jättes maha laetud ioonid, mis loovad sisemise elektrivälja, mida tuntakse sisseehitatud potentsiaalibarjäärina.
2. PN-siirde roll laserites
(1) Kandja süstimine
Laseri töötamise ajal on PN-siirde eelpingestatud: P-piirkond on ühendatud positiivse pingega ja N-piirkond negatiivse pingega. See tühistab sisemise elektrivälja, võimaldades elektronidel ja aukudel süstida siirde aktiivsesse piirkonda, kus nad tõenäoliselt rekombineeruvad.
(2) Valguskiirgus: stimuleeritud emissiooni päritolu
Aktiivses piirkonnas süstitud elektronid ja augud rekombineeruvad ning vabastavad footoneid. Algselt on see protsess spontaanne emissioon, kuid footoni tiheduse suurenedes võivad footonid stimuleerida edasist elektron-augu rekombinatsiooni, vabastades täiendavaid sama faasi, suuna ja energiaga footoneid – seda nimetatakse stimuleeritud emissiooniks.
See protsess moodustab laseri (valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse abil) aluse.
(3) Laseri väljundist moodustuvad võimendus ja resonantsed õõnsused
Stimuleeritud emissiooni võimendamiseks on pooljuhtlaserites PN-siirde mõlemal küljel resonantsed õõnsused. Näiteks ääremirglaserites saab seda saavutada hajutatud Braggi reflektorite (DBR) või peegelkatete abil, mis peegeldavad valgust edasi-tagasi. See seadistus võimaldab võimendada teatud valguse lainepikkusi, mille tulemuseks on väga koherentne ja suunatud laserväljund.
3. PN-ühenduste struktuurid ja disaini optimeerimine
Sõltuvalt pooljuhtlaseri tüübist võib PN-struktuur varieeruda:
Üksik heterosiirdumine (SH):
P-piirkond, N-piirkond ja aktiivne piirkond on valmistatud samast materjalist. Rekombinatsioonipiirkond on lai ja vähem efektiivne.
Topeltheterosiirdumine (DH):
P- ja N-piirkondade vahele on paigutatud kitsam keelutsooni aktiivne kiht. See piirab nii laengukandjaid kui ka footoneid, parandades oluliselt efektiivsust.
Kvantkaevu struktuur:
Kasutab üliõhukest aktiivkihti kvantpiiramise efektide loomiseks, parandades läviväärtusomadusi ja modulatsiooni kiirust.
Need struktuurid on kõik loodud selleks, et suurendada laengukandjate süstimise, rekombinatsiooni ja valguse emissiooni efektiivsust PN-siirde piirkonnas.
4. Kokkuvõte
PN-siire on tõeliselt pooljuhtlaseri „süda“. Selle võime süstida laengukandjaid eelpinge all on laseri genereerimise põhiline käivitaja. Alates konstruktsiooni disainist ja materjali valikust kuni footonite juhtimiseni keerleb kogu laserseadme jõudlus PN-siirde optimeerimise ümber.
Optoelektroonika tehnoloogiate pideva arenguga ei paranda PN-siirde füüsika sügavam mõistmine mitte ainult laserite jõudlust, vaid loob ka kindla aluse järgmise põlvkonna suure võimsusega, kiirete ja odavate pooljuhtlaserite arendamiseks.
Postituse aeg: 28. mai 2025