Կիսահաղորդչային լազերների սիրտը. PN հանգույցի ըմբռնումը

Օպտոէլեկտրոնային տեխնոլոգիայի արագ զարգացման հետ մեկտեղ, կիսահաղորդչային լազերները լայն կիրառություն են գտել այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են կապը, բժշկական սարքավորումները, լազերային չափումը, արդյունաբերական մշակումը և սպառողական էլեկտրոնիկան: Այս տեխնոլոգիայի հիմքում ընկած է PN միացումը, որը կարևոր դեր է խաղում ոչ միայն որպես լույսի ճառագայթման աղբյուր, այլև որպես սարքի աշխատանքի հիմք: Այս հոդվածը ներկայացնում է կիսահաղորդչային լազերների PN միացման կառուցվածքի, սկզբունքների և հիմնական գործառույթների հստակ և համառոտ ակնարկ:

1. Ի՞նչ է PN հանգույցը։

PN միացումը P-տիպի և N-տիպի կիսահաղորդիչների միջև ձևավորված միջերեսն է։

P-տիպի կիսահաղորդիչը լեգիրված է ակցեպտորային խառնուրդներով, ինչպիսին է բորը (B), ինչը անցքերը դարձնում է լիցքի կրողների մեծ մասը։

N-տիպի կիսահաղորդիչը լեգիրված է դոնոր խառնուրդներով, ինչպիսին է ֆոսֆորը (P), ինչը էլեկտրոնները դարձնում է մեծամասնության կրողներ։

Երբ P և N տիպի նյութերը շփման մեջ են մտնում, N շրջանի էլեկտրոնները դիֆուզվում են P շրջանի մեջ, իսկ P շրջանի անցքերը՝ N շրջանի մեջ։ Այս դիֆուզիան ստեղծում է սպառման շրջան, որտեղ էլեկտրոններն ու անցքերը վերամիավորվում են՝ թողնելով լիցքավորված իոններ, որոնք ստեղծում են ներքին էլեկտրական դաշտ, որը հայտնի է որպես ներկառուցված պոտենցիալային արգելք։

2. PN հանգույցի դերը լազերներում

(1) Կրողի ներարկում

Երբ լազերը աշխատում է, PN միացումը ուղիղ ուղղվածություն ունի. P-շրջանը միացված է դրական լարման, իսկ N-շրջանը՝ բացասական լարման։ Սա չեզոքացնում է ներքին էլեկտրական դաշտը՝ թույլ տալով էլեկտրոններին և անցքերին ներարկվել միացման ակտիվ շրջան, որտեղ դրանք, հավանաբար, կրկին կմիավորվեն։

(2) Լույսի ճառագայթում. խթանված ճառագայթման ծագումը

Ակտիվ տիրույթում ներարկված էլեկտրոններն ու անցքերը վերամիավորվում են և արձակում ֆոտոններ։ Սկզբում այս գործընթացը ինքնաբուխ ճառագայթում է, բայց ֆոտոնի խտության մեծացմանը զուգընթաց ֆոտոնները կարող են խթանել էլեկտրոն-անցքի հետագա վերամիավորումը՝ արձակելով լրացուցիչ ֆոտոններ նույն փուլով, ուղղությամբ և էներգիայով. սա խթանված ճառագայթում է։

Այս գործընթացը կազմում է լազերի հիմքը (լույսի ուժեղացում ճառագայթման խթանված արտանետմամբ):

(3) Լազերային ելքի ձևավորում ուժեղացնող և ռեզոնանսային խոռոչներից

Խթանված ճառագայթումը ուժեղացնելու համար կիսահաղորդչային լազերները PN միացման երկու կողմերում ներառում են ռեզոնանսային խոռոչներ: Օրինակ՝ եզրային ճառագայթող լազերներում դա կարելի է իրականացնել՝ օգտագործելով բաշխված Բրեգգի անդրադարձիչներ (DBR) կամ հայելային ծածկույթներ՝ լույսը հետ և առաջ արտացոլելու համար: Այս կարգավորումը թույլ է տալիս ուժեղացնել լույսի որոշակի ալիքի երկարություններ, ինչը, ի վերջո, հանգեցնում է բարձր կոհերենտ և ուղղորդված լազերային ելքի:

3. PN հանգույցների կառուցվածքներ և նախագծման օպտիմալացում

Կախված կիսահաղորդչային լազերի տեսակից, PN կառուցվածքը կարող է տարբեր լինել.

Միակ հետերոհանգույց (SH):
P-շրջանը, N-շրջանը և ակտիվ շրջանը կազմված են նույն նյութից։ Ռեկոմբինացիայի շրջանը լայն է և պակաս արդյունավետ։

Կրկնակի հետերոհանգույց (DH):
P- և N-շրջանների միջև տեղադրված է ավելի նեղ գոտիական բացվածքի ակտիվ շերտ։ Սա սահմանափակում է և՛ կրիչները, և՛ ֆոտոնները՝ զգալիորեն բարելավելով արդյունավետությունը։

Քվանտային հորատանցքի կառուցվածքը.
Օգտագործում է գերբարակ ակտիվ շերտ՝ քվանտային սահմանափակման էֆեկտներ ստեղծելու համար, բարելավելով շեմային բնութագրերը և մոդուլյացիայի արագությունը։

Այս կառուցվածքները բոլորը նախագծված են PN միացման տարածքում կրիչների ներարկման, ռեկոմբինացիայի և լույսի ճառագայթման արդյունավետությունը բարձրացնելու համար։

4. Եզրակացություն

PN միացումը իսկապես կիսահաղորդչային լազերի «սիրտն» է: Դրա՝ ուղիղ շեղման տակ կրիչներ ներարկելու ունակությունը լազերի ստեղծման հիմնարար խթանն է: Կառուցվածքային նախագծումից և նյութի ընտրությունից մինչև ֆոտոնների կառավարում, ամբողջ լազերային սարքի աշխատանքը կենտրոնանում է PN միացման օպտիմալացման վրա:

Քանի որ օպտոէլեկտրոնային տեխնոլոգիաները շարունակում են զարգանալ, PN միացումների ֆիզիկայի ավելի խորը ըմբռնումը ոչ միայն բարելավում է լազերի աշխատանքը, այլև ամուր հիմք է դնում բարձր հզորության, բարձր արագության և ցածր գնով կիսահաղորդչային լազերների հաջորդ սերնդի զարգացման համար։