Оптоэлектрондық технологияның қарқынды дамуымен жартылай өткізгіш лазерлер байланыс, медициналық жабдықтар, лазерлік өлшеулер, өнеркәсіптік өңдеу және тұтынушылық электроника сияқты салаларда кеңінен қолданыла бастады. Бұл технологияның негізінде PN түйіні жатыр, ол тек жарық сәулелену көзі ретінде ғана емес, сонымен қатар құрылғының жұмысының негізі ретінде де маңызды рөл атқарады. Бұл мақалада жартылай өткізгіш лазерлердегі PN түйіспесінің құрылымы, принциптері және негізгі функциялары туралы нақты және қысқаша шолу берілген.
1. PN түйіні дегеніміз не?
PN өткелі - P типті жартылай өткізгіш пен N типті жартылай өткізгіш арасында түзілген интерфейс:
P-типті жартылай өткізгіш бор (B) сияқты акцепторлық қоспалармен легирленген, бұл тесіктерді негізгі заряд тасымалдаушылар етеді.
N-типті жартылай өткізгіш фосфор (P) сияқты донорлық қоспалармен легирленген, бұл электрондарды негізгі тасымалдаушылар етеді.
P-типті және N-типті материалдар жанасқан кезде, N-аймағындағы электрондар P-аймағына, ал P-аймағындағы кемтіктер N-аймағына диффузияланады. Бұл диффузия электрондар мен кемтіктер қайта бірігетін, зарядталған иондарды қалдыратын сарқылу аймағын жасайды, бұл ішкі электр өрісін жасайды, ол кіріктірілген потенциалдық тосқауыл деп аталады.
2. Лазерлердегі PN түйіспесінің рөлі
(1) Тасымалдағыш инъекциясы
Лазер жұмыс істеген кезде PN өткелі алға бағытталған: P-аймағы оң кернеуге, ал N-аймағы теріс кернеуге қосылған. Бұл ішкі электр өрісін жояды, электрондар мен кемтіктердің түйіспедегі белсенді аймаққа енгізілуіне мүмкіндік береді, онда олар қайта бірігуі мүмкін.
(2) Жарық сәулеленуі: ынталандырылған сәулеленудің шығу тегі
Белсенді аймақта инъекцияланған электрондар мен кемтіктер рекомбинацияланып, фотондарды босатады. Бастапқыда бұл процесс өздігінен шығарылады, бірақ фотон тығыздығы артқан сайын фотондар электрон-кемтік рекомбинациясын одан әрі ынталандырып, фазасы, бағыты және энергиясы бірдей қосымша фотондарды босата алады - бұл ынталандырылған шығарылым.
Бұл процесс лазердің (сәулеленудің ынталандырылған шығарылуы арқылы жарықты күшейту) негізін құрайды.
(3) Лазер шығысының күшейту және резонанстық қуыстары
Ынталандырылған сәулеленуді күшейту үшін жартылай өткізгіш лазерлер PN түйіспесінің екі жағында да резонанстық қуыстарды қамтиды. Мысалы, шеткі сәулелену лазерлерінде бұған жарықты алға және артқа шағылыстыру үшін таратылған Брэгг шағылыстырғыштарын (DBR) немесе айна жабындарын пайдалану арқылы қол жеткізуге болады. Бұл қондырғы жарықтың белгілі бір толқын ұзындықтарын күшейтуге мүмкіндік береді, нәтижесінде жоғары когерентті және бағытталған лазерлік шығыс пайда болады.
3. PN түйіспе құрылымдары және жобалауды оңтайландыру
Жартылай өткізгіш лазердің түріне байланысты PN құрылымы әртүрлі болуы мүмкін:
Жалғыз гетероөткізілім (ЖӨ):
P-аймағы, N-аймағы және белсенді аймақ бірдей материалдан жасалған. Рекомбинация аймағы кең және тиімділігі төмен.
Қос гетероөткізілім (ҚӨ):
P- және N-аймақтарының арасында тар жолақты саңылаудың белсенді қабаты орналасқан. Бұл тасымалдаушыларды да, фотондарды да шектейді, бұл тиімділікті айтарлықтай жақсартады.
Кванттық шұңқырдың құрылымы:
Кванттық шектеу әсерлерін жасау үшін ультра жұқа белсенді қабатты пайдаланады, шекті сипаттамаларды және модуляция жылдамдығын жақсартады.
Бұл құрылымдардың барлығы PN түйіспе аймағында тасымалдаушыларды инъекциялау, рекомбинациялау және жарық сәулеленуінің тиімділігін арттыруға арналған.
4. Қорытынды
PN түйіні шынымен де жартылай өткізгіш лазердің «жүрегі». Оның алға қарай ығысу арқылы тасымалдаушыларды енгізу қабілеті лазер генерациясының негізгі триггері болып табылады. Құрылымдық жобалау мен материалды таңдаудан бастап фотонды басқаруға дейін бүкіл лазерлік құрылғының жұмысы PN түйінін оңтайландыруға байланысты.
Оптоэлектрондық технологиялар дамыған сайын, PN түйіспе физикасын тереңірек түсіну лазердің өнімділігін арттырып қана қоймай, сонымен қатар келесі буын жоғары қуатты, жоғары жылдамдықты және арзан жартылай өткізгіш лазерлерді әзірлеуге берік негіз қалайды.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 28 мамыр