Благодаря быстрому 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 p-n-переход, играющий важнейшую роль не только как источник излучения света, но и как основа работы устройства. В данной статье представлен чёткий и лаконичный обзор структуры, принципов работы и основных функций p-n-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), в результате чего дырки становятся основными носителями заряда.
Полупроводник N-типа легирован донорными примесями, такими как фосфор (P), благодаря чему электроны становятся основными носителями заряда.
При контакте материалов P- и N-типа электроны из N-области диффундируют в P-область, а дырки из P-области — в N-область. Эта диффузия создаёт область обеднения, где электроны и дырки рекомбинируют, оставляя заряженные ионы, создающие 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 перехода, где они, вероятно, рекомбинируют.
(2) Излучение света: происхождение вынужденного излучения
В активной области инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, испуская фотоны. Первоначально этот процесс представляет собой спонтанное излучение, но по мере увеличения плотности фотонов фотоны могут стимулировать дальнейшую электронно-дырочную рекомбинацию, испуская дополнительные фотоны с той же фазой, направлением и энергией — это и есть вынужденное излучение.
Этот процесс лежит в основе работы лазера (усиление света путем вынужденного испускания излучения).
(3) Усиление и резонансные полости формируют выходное излучение лазера
Для усиления вынужденного излучения полупроводниковые лазеры содержат резонансные полости по обе стороны p-n-перехода. Например, в лазерах с торцевым излучением это достигается с помощью распределённых брэгговских отражателей (РБР) или зеркальных покрытий для отражения света в обоих направлениях. Такая схема позволяет усиливать световые волны определённых длин волн, что в конечном итоге приводит к высококогерентному и направленному лазерному излучению.
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 изготовлены из одного и того же материала. Область рекомбинации широкая и менее эффективна.
Двойной гетеропереход (ДГ):
Между P- и N-областями расположен активный слой с более узкой запрещенной зоной. Это ограничивает как носители заряда, 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 – поистине «сердце» полупроводникового лазера. Его способность инжектировать носители заряда при прямом смещении является фундаментальным фактором, запускающим лазерную генерацию. От проектирования конструкции и выбора материалов до управления фотонами – эффективность всего лазерного устройства зависит от 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.