ნახევარგამტარული ლაზერების არსი: PN შეერთების გაგება

ოპტოელექტრონული ტექნოლოგიების სწრაფი განვითარების შედეგად, ნახევარგამტარული ლაზერები ფართოდ გამოიყენება ისეთ სფეროებში, როგორიცაა კომუნიკაციები, სამედიცინო აღჭურვილობა, ლაზერული რანჟირება, სამრეწველო დამუშავება და სამომხმარებლო ელექტრონიკა. ამ ტექნოლოგიის ბირთვში დევს PN შეერთება, რომელიც სასიცოცხლო როლს ასრულებს - არა მხოლოდ როგორც სინათლის გამოსხივების წყარო, არამედ როგორც მოწყობილობის მუშაობის საფუძველი. ეს სტატია იძლევა ნახევარგამტარული ლაზერების PN შეერთების სტრუქტურის, პრინციპებისა და ძირითადი ფუნქციების მკაფიო და ლაკონურ მიმოხილვას.

1. რა არის PN შეერთება?

PN შეერთება არის P-ტიპის ნახევარგამტარსა და N-ტიპის ნახევარგამტარს შორის ჩამოყალიბებული ინტერფეისი:

P-ტიპის ნახევარგამტარი დოპირებულია აქცეპტორის მინარევებით, როგორიცაა ბორი (B), რაც ხვრელებს უმეტესწილად მუხტის მატარებლებად აქცევს.

N-ტიპის ნახევარგამტარი დოპირებულია დონორი მინარევებით, როგორიცაა ფოსფორი (P), რაც ელექტრონებს უმრავლესობის მატარებლებად აქცევს.

როდესაც P და N ტიპის მასალები ერთმანეთს ეხებიან, N რეგიონიდან ელექტრონები დიფუზირდება P რეგიონში, ხოლო P რეგიონიდან ხვრელები - N რეგიონში. ეს დიფუზია ქმნის გამოფიტვის რეგიონს, სადაც ელექტრონები და ხვრელები ხელახლა ერთიანდებიან და ტოვებენ დამუხტულ იონებს, რომლებიც ქმნიან შიდა ელექტრულ ველს, რომელიც ცნობილია როგორც ჩაშენებული პოტენციური ბარიერი.

2. PN შეერთების როლი ლაზერებში

(1) მატარებლის ინექცია

ლაზერის მუშაობისას, PN შეერთება პირდაპირ მიმართულია: P-რეგიონი დაკავშირებულია დადებით ძაბვასთან, ხოლო N-რეგიონი - უარყოფით ძაბვასთან. ეს აუქმებს შიდა ელექტრულ ველს, რაც საშუალებას აძლევს ელექტრონებსა და ხვრელებს შეიყვანონ შეერთების აქტიურ რეგიონში, სადაც ისინი, სავარაუდოდ, ხელახლა გაერთიანდებიან.

(2) სინათლის ემისია: სტიმულირებული ემისიის წარმოშობა

აქტიურ რეგიონში შეყვანილი ელექტრონები და ხვრელები ხელახლა შეერთდებიან და გამოყოფენ ფოტონებს. თავდაპირველად, ეს პროცესი სპონტანური ემისიაა, მაგრამ ფოტონის სიმკვრივის ზრდასთან ერთად, ფოტონებს შეუძლიათ ელექტრონ-ხვრელის შემდგომი რეკომბინაციის სტიმულირება, რაც იწვევს იმავე ფაზის, მიმართულებისა და ენერგიის მქონე დამატებითი ფოტონების გამოყოფას - ეს არის სტიმულირებული ემისია.

ეს პროცესი ლაზერის (სინათლის გამაძლიერებელი გამოსხივების სტიმულირებული ემისიის გზით) საფუძველს ქმნის.

(3) გაძლიერებული და რეზონანსული ღრუები ლაზერული გამომავალის ფორმირებას ახდენენ

სტიმულირებული ემისიის გასაძლიერებლად, ნახევარგამტარული ლაზერები PN შეერთების ორივე მხარეს რეზონანსულ ღრუებს შეიცავს. მაგალითად, კიდისებრი გამოსხივების ლაზერებში ამის მიღწევა შესაძლებელია განაწილებული ბრაგის რეფლექტორების (DBR) ან სარკისებრი საფარის გამოყენებით, რათა სინათლე წინ და უკან აირეკლოს. ეს კონფიგურაცია საშუალებას იძლევა სინათლის კონკრეტული ტალღის სიგრძეების გაძლიერების, რაც საბოლოოდ მაღალი კოჰერენტულ და მიმართულებითი ლაზერული გამომავალი სიგნალის მიღებას იწვევს.

3. PN შეერთების სტრუქტურები და დიზაინის ოპტიმიზაცია

ნახევარგამტარული ლაზერის ტიპის მიხედვით, PN სტრუქტურა შეიძლება განსხვავდებოდეს:

ერთჯერადი ჰეტეროშეერთება (SH):
P-რეგიონი, N-რეგიონი და აქტიური რეგიონი ერთი და იგივე მასალისგან არის დამზადებული. რეკომბინაციის რეგიონი ფართო და ნაკლებად ეფექტურია.

ორმაგი ჰეტეროშეერთება (DH):
P- და N-რეგიონებს შორის უფრო ვიწრო, ზონური უფსკრულის მქონე აქტიური ფენაა მოთავსებული. ეს ზღუდავს როგორც მატარებლებს, ასევე ფოტონებს, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს ეფექტურობას.

კვანტური ჭაბურღილის სტრუქტურა:
იყენებს ულტრათხელ აქტიურ ფენას კვანტური შემოფარგვლის ეფექტების შესაქმნელად, ზღურბლის მახასიათებლების და მოდულაციის სიჩქარის გასაუმჯობესებლად.

ეს სტრუქტურები შექმნილია PN შეერთების რეგიონში მატარებლის ინექციის, რეკომბინაციისა და სინათლის გამოსხივების ეფექტურობის გასაზრდელად.

4. დასკვნა

PN შეერთება ნამდვილად ნახევარგამტარული ლაზერის „გულია“. მისი უნარი, პირდაპირი გადახრის პირობებში, მატარებლები შეიყვანოს, ლაზერის გენერირების ფუნდამენტური ტრიგერია. სტრუქტურული დიზაინიდან და მასალის შერჩევიდან დაწყებული, ფოტონების კონტროლით დამთავრებული, მთელი ლაზერული მოწყობილობის მუშაობა PN შეერთების ოპტიმიზაციაზეა დამოკიდებული.

ოპტოელექტრონული ტექნოლოგიების განვითარებასთან ერთად, PN შეერთების ფიზიკის უფრო ღრმა გაგება არა მხოლოდ აუმჯობესებს ლაზერის მუშაობას, არამედ მყარ საფუძველს უყრის მაღალი სიმძლავრის, მაღალსიჩქარიანი და დაბალფასიანი ნახევარგამტარული ლაზერების შემდეგი თაობის განვითარებას.