С быстрым развитием оптоэлектронной технологии 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, который играет жизненно важную роль — не только как источник излучения света, но и как основа работы устройства. В этой статье дается четкий и краткий обзор структуры, принципов и основных функций PN-перехода в полупроводниковых лазерах.
1. Что такое PN-переход?
PN-переход — это интерфейс, образованный между полупроводником P-типа и полупроводником N-типа:
Полупроводник p-типа легирован акцепторными примесями, такими как бор (B), что делает дырки основными носителями заряда.
Полупроводник N-типа легирован донорными примесями, такими как фосфор (P), что делает электроны основными носителями.
Когда материалы P-типа и N-типа вступают в контакт, электроны из N-области диффундируют в P-область, а дырки из P-области диффундируют в N-область. Эта диффузия создает область обеднения, где электроны и дырки рекомбинируют, оставляя заряженные ионы, которые создают внутреннее электрическое поле, известное как встроенный потенциальный барьер.
2. Роль PN-перехода в лазерах
(1) Инъекция носителя
При работе лазера PN-переход смещен в прямом направлении: P-область подключена к положительному напряжению, а N-область — к отрицательному. Это нейтрализует внутреннее электрическое поле, позволяя электронам и дыркам инжектироваться в активную область на переходе, где они, скорее всего, рекомбинируют.
(2) Излучение света: происхождение вынужденного излучения
В активной области инжектированные электроны и дырки рекомбинируют и высвобождают фотоны. Первоначально этот процесс представляет собой спонтанное излучение, но по мере увеличения плотности фотонов фотоны могут стимулировать дальнейшую рекомбинацию электронов и дырок, высвобождая дополнительные фотоны с той же фазой, направлением и энергией — это и есть вынужденное излучение.
Этот процесс лежит в основе лазера (усиление света путем вынужденного излучения).
(3) Усиление и резонансные полости формируют выходной сигнал лазера
Для усиления вынужденного излучения полупроводниковые лазеры включают резонансные полости по обе стороны PN-перехода. Например, в лазерах с краевым излучением этого можно добиться с помощью распределенных брэгговских отражателей (DBR) или зеркальных покрытий для отражения света вперед и назад. Такая установка позволяет усиливать определенные длины волн света, что в конечном итоге приводит к высококогерентному и направленному выходу лазера.
3. Структуры PN-переходов и оптимизация проектирования
В зависимости от типа полупроводникового лазера структура PN может различаться:
Одиночный гетеропереход (SH):
P-область, N-область и активная область сделаны из одного и того же материала. Область рекомбинации широкая и менее эффективная.
Двойной гетеропереход (ДГ):
Активный слой с более узкой запрещенной зоной расположен между P- и N-областями. Это ограничивает как носители, так и фотоны, значительно повышая эффективность.
Структура квантовой ямы:
Использует сверхтонкий активный слой для создания эффектов квантового ограничения, улучшая пороговые характеристики и скорость модуляции.
Все эти структуры предназначены для повышения эффективности инжекции носителей заряда, рекомбинации и излучения света в области PN-перехода.
4. Заключение
PN-переход — это действительно «сердце» полупроводникового лазера. Его способность инжектировать носители при прямом смещении является фундаментальным триггером для генерации лазера. От структурного проектирования и выбора материала до управления фотонами, производительность всего лазерного устройства вращается вокруг оптимизации PN-перехода.
По мере дальнейшего развития оптоэлектронных технологий более глубокое понимание физики PN-перехода не только повышает производительность лазеров, но и закладывает прочную основу для разработки следующего поколения мощных, высокоскоростных и недорогих полупроводниковых лазеров.
Время публикации: 28 мая 2025 г.