Med den hurtige udvikling af optoelektronisk teknologi har halvlederlasere fundet udbredte anvendelser inden for områder som kommunikation, medicinsk udstyr, laserafstandsmåling, industriel forarbejdning og forbrugerelektronik. Kernen i denne teknologi ligger PN-overgangen, som spiller en afgørende rolle - ikke kun som kilde til lysudsendelse, men også som fundamentet for enhedens drift. Denne artikel giver et klart og præcist overblik over strukturen, principperne og nøglefunktionerne for PN-overgangen i halvlederlasere.
1. Hvad er en PN-overgang?
En PN-forbindelse er grænsefladen dannet mellem en P-type halvleder og en N-type halvleder:
P-type halvleder er doteret med acceptorurenheder, såsom bor (B), hvilket gør huller til de største ladningsbærere.
N-type halvlederen er doteret med donorurenheder, såsom fosfor (P), hvilket gør elektroner til de største bærere.
Når P-type og N-type materialer bringes i kontakt, diffunderer elektroner fra N-regionen ind i P-regionen, og huller fra P-regionen diffunderer ind i N-regionen. Denne diffusion skaber et udtømningsområde, hvor elektroner og huller rekombineres og efterlader ladede ioner, der skaber et indre elektrisk felt, kendt som en indbygget potentialbarriere.
2. PN-overgangens rolle i lasere
(1) Bærerinjektion
Når laseren er i drift, er PN-overgangen fremadrettet: P-regionen er forbundet til en positiv spænding, og N-regionen til en negativ spænding. Dette ophæver det indre elektriske felt, hvilket tillader elektroner og huller at blive injiceret i det aktive område ved overgangen, hvor de sandsynligvis vil rekombinere.
(2) Lysudsendelse: Oprindelsen af stimuleret udsendelse
I den aktive region rekombineres injicerede elektroner og huller og frigiver fotoner. I starten er denne proces spontan emission, men efterhånden som fotontætheden stiger, kan fotoner stimulere yderligere elektron-hul-rekombination og frigive yderligere fotoner med samme fase, retning og energi – dette kaldes stimuleret emission.
Denne proces danner grundlaget for en laser (lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling).
(3) Forstærknings- og resonanskaviteter danner laseroutput
For at forstærke stimuleret emission inkluderer halvlederlasere resonante hulrum på begge sider af PN-overgangen. I kant-emitterende lasere kan dette for eksempel opnås ved hjælp af distribuerede Bragg-reflektorer (DBR'er) eller spejlbelægninger til at reflektere lys frem og tilbage. Denne opsætning gør det muligt at forstærke specifikke bølgelængder af lys, hvilket i sidste ende resulterer i en meget kohærent og retningsbestemt laserudgang.
3. PN-forbindelsesstrukturer og designoptimering
Afhængigt af typen af halvlederlaser kan PN-strukturen variere:
Enkelt heterojunktion (SH):
P-regionen, N-regionen og den aktive region er lavet af det samme materiale. Rekombinationsregionen er bred og mindre effektiv.
Dobbelt heterojunktion (DH):
Et smallere aktivt lag med båndgab er klemt inde mellem P- og N-regionerne. Dette begrænser både ladningsbærere og fotoner, hvilket forbedrer effektiviteten betydeligt.
Kvantebrøndstruktur:
Bruger et ultratyndt aktivt lag til at skabe kvanteinddæmpningseffekter, hvilket forbedrer tærskelværdier og modulationshastighed.
Disse strukturer er alle designet til at forbedre effektiviteten af bærerinjektion, rekombination og lysudsendelse i PN-forbindelsesområdet.
4. Konklusion
PN-overgangen er i sandhed "hjertet" i en halvlederlaser. Dens evne til at injicere bærere under fremadrettet forspænding er den grundlæggende udløser for lasergenerering. Fra strukturelt design og materialevalg til fotonstyring drejer hele laserenhedens ydeevne sig om at optimere PN-overgangen.
Efterhånden som optoelektroniske teknologier fortsætter med at udvikle sig, forbedrer en dybere forståelse af PN-overgangens fysik ikke blot laserens ydeevne, men lægger også et solidt fundament for udviklingen af den næste generation af højtydende, højhastigheds- og billige halvlederlasere.
Opslagstidspunkt: 28. maj 2025