Med den snabba utvecklingen av optoelektronisk teknik har halvledarlasrar funnit omfattande tillämpningar inom områden som kommunikation, medicinsk utrustning, laseravståndsmätning, industriell bearbetning och konsumentelektronik. Kärnan i denna teknik ligger PN-övergången, som spelar en viktig roll – inte bara som källa till ljusemission utan också som grunden för enhetens funktion. Denna artikel ger en tydlig och koncis översikt över strukturen, principerna och nyckelfunktionerna hos PN-övergången i halvledarlasrar.
1. Vad är en PN-övergång?
En PN-övergång är gränssnittet som bildas mellan en P-typ halvledare och en N-typ halvledare:
P-typ halvledare är dopad med acceptorföroreningar, såsom bor (B), vilket gör hål till de flesta laddningsbärarna.
N-typhalvledaren är dopad med donatorföroreningar, såsom fosfor (P), vilket gör elektroner till majoritetsbärare.
När P-typ- och N-typmaterialen bringas i kontakt, diffunderar elektroner från N-regionen in i P-regionen, och hål från P-regionen diffunderar in i N-regionen. Denna diffusion skapar en utarmningsområde där elektroner och hål rekombineras, vilket lämnar efter sig laddade joner som skapar ett internt elektriskt fält, känt som en inbyggd potentialbarriär.
2. PN-övergångens roll i lasrar
(1) Bärarinjektion
När lasern arbetar är PN-övergången framåtspänd: P-regionen är ansluten till en positiv spänning och N-regionen till en negativ spänning. Detta avbryter det interna elektriska fältet, vilket gör att elektroner och hål kan injiceras i den aktiva regionen vid övergången, där de sannolikt kommer att rekombineras.
(2) Ljusemission: Ursprunget till stimulerad emission
I den aktiva regionen rekombineras injicerade elektroner och hål och frigör fotoner. Initialt är denna process spontan emission, men allt eftersom fotondensiteten ökar kan fotoner stimulera ytterligare elektron-hål-rekombination, vilket frigör ytterligare fotoner med samma fas, riktning och energi – detta kallas stimulerad emission.
Denna process utgör grunden för en laser (Ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning).
(3) Förstärknings- och resonanskaviteter bildar laserutgång
För att förstärka stimulerad emission inkluderar halvledarlasrar resonanskaviteter på båda sidor om PN-övergången. I kantemitterande lasrar kan detta till exempel uppnås med hjälp av distribuerade Bragg-reflektorer (DBR) eller spegelbeläggningar för att reflektera ljus fram och tillbaka. Denna uppställning gör att specifika ljusvåglängder kan förstärkas, vilket så småningom resulterar i en mycket koherent och riktad laserutgång.
3. PN-övergångsstrukturer och designoptimering
Beroende på typen av halvledarlaser kan PN-strukturen variera:
Enkel heterojunktion (SH):
P-regionen, N-regionen och den aktiva regionen är gjorda av samma material. Rekombinationsregionen är bred och mindre effektiv.
Dubbel heterojunktion (DH):
Ett smalare aktivt lager med bandgap är inklämt mellan P- och N-regionerna. Detta begränsar både bärare och fotoner, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten.
Kvantbrunnsstruktur:
Använder ett ultratunt aktivt lager för att skapa kvantinneslutningseffekter, vilket förbättrar tröskelegenskaper och moduleringshastighet.
Dessa strukturer är alla utformade för att förbättra effektiviteten för bärarinjektion, rekombination och ljusemission i PN-övergångsregionen.
4. Slutsats
PN-övergången är verkligen "hjärtat" i en halvledarlaser. Dess förmåga att injicera bärvågor under framåtriktad förspänning är den grundläggande drivkraften för lasergenerering. Från strukturell design och materialval till fotonkontroll kretsar hela laseranordningens prestanda kring att optimera PN-övergången.
I takt med att optoelektroniska tekniker fortsätter att utvecklas förbättrar en djupare förståelse av PN-övergångsfysik inte bara laserprestanda utan lägger också en solid grund för utvecklingen av nästa generations högeffekts-, snabbhets- och lågkostnadshalvledarlasrar.
Publiceringstid: 28 maj 2025