Благодаря стремительному развитию оптоэлектронных технологий полупроводниковые лазеры нашли широкое применение в таких областях, как связь, медицинское оборудование, лазерная локация, промышленная обработка и бытовая электроника. В основе этой технологии лежит PN-переход, играющий жизненно важную роль — не только как источник излучения света, но и как основа работы устройства. В данной статье представлен четкий и краткий обзор структуры, принципов и ключевых функций PN-перехода в полупроводниковых лазерах.
1. Что такое PN-переход?
PN-переход — это граница раздела, образующаяся между полупроводником P-типа и полупроводником N-типа:
Полупроводник p-типа легируется акцепторными примесями, такими как бор (B), в результате чего основными носителями заряда становятся дырки.
Полупроводник N-типа легирован донорными примесями, такими как фосфор (P), в результате чего основными носителями заряда являются электроны.
При контакте материалов P-типа и N-типа электроны из N-области диффундируют в P-область, а дырки из P-области диффундируют в N-область. Эта диффузия создает обедненную область, где электроны и дырки рекомбинируют, оставляя после себя заряженные ионы, которые создают внутреннее электрическое поле, известное как встроенный потенциальный барьер.
2. Роль PN-перехода в лазерах
(1) Введение носителя
При работе лазера PN-переход находится в режиме прямого смещения: P-область подключена к положительному напряжению, а N-область — к отрицательному. Это компенсирует внутреннее электрическое поле, позволяя электронам и дыркам инжектироваться в активную область перехода, где они, вероятно, будут рекомбинировать.
(2) Световое излучение: происхождение стимулированного излучения
В активной области инжектированные электроны и дырки рекомбинируют и испускают фотоны. Первоначально этот процесс представляет собой спонтанное излучение, но по мере увеличения плотности фотонов они могут стимулировать дальнейшую рекомбинацию электронов и дырок, испуская дополнительные фотоны с той же фазой, направлением и энергией — это стимулированное излучение.
Этот процесс лежит в основе работы лазера (усиление света путем стимулированного излучения).
(3) Усиливающие и резонансные резонаторы формируют лазерный выходной сигнал
Для усиления стимулированного излучения в полупроводниковых лазерах используются резонансные полости по обеим сторонам PN-перехода. В лазерах с краевым излучением, например, это достигается с помощью распределенных брэгговских отражателей (DBR) или зеркальных покрытий, отражающих свет туда и обратно. Такая конструкция позволяет усиливать определенные длины волн света, что в конечном итоге приводит к высококогерентному и направленному лазерному излучению.
3. Структуры PN-переходов и оптимизация конструкции.
В зависимости от типа полупроводникового лазера структура PN может различаться:
Одиночное гетеропереходное соединение (SH):
P-область, N-область и активная область изготовлены из одного и того же материала. Область рекомбинации широкая и менее эффективная.
Двойное гетеропереходное соединение (ДГС):
Между P- и N-областями расположен активный слой с более узкой запрещенной зоной. Это позволяет локализовать как носители заряда, так и фотоны, значительно повышая эффективность.
Структура квантовой ямы:
Используется сверхтонкий активный слой для создания эффектов квантового ограничения, что улучшает пороговые характеристики и скорость модуляции.
Все эти структуры разработаны для повышения эффективности инжекции носителей заряда, рекомбинации и светоизлучения в области PN-перехода.
4. Заключение
PN-переход — это поистине «сердце» полупроводникового лазера. Его способность инжектировать носители заряда при прямом смещении является фундаментальным триггером для генерации лазерного излучения. От проектирования конструкции и выбора материалов до управления фотонами, производительность всего лазерного устройства зависит от оптимизации PN-перехода.
По мере дальнейшего развития оптоэлектронных технологий более глубокое понимание физики PN-переходов не только повышает характеристики лазеров, но и закладывает прочную основу для разработки следующего поколения мощных, высокоскоростных и недорогих полупроводниковых лазеров.
Дата публикации: 28 мая 2025 г.