С быстрым развитием оптоэлектронной технологии полупроводниковые лазеры нашли широкое применение в таких областях, как связи, медицинское оборудование, лазерное диапазон, промышленная обработка и потребительская электроника. В основе этой технологии лежит PN-соединение, которое играет жизненно важную роль не только в качестве источника излучения света, но и в качестве основы работы устройства. В этой статье дается четкий и краткий обзор структуры, принципов и ключевых функций PN-соединения в полупроводниковых лазерах.

1. Что такое PN Junction?
PN-соединение представляет собой интерфейс, образованный между полупроводником P-типа и полупроводником N-типа:

Полупроводник P-типа допируется акцепторными примесями, такими как бор (B), что делает отверстия большинством носителей заряда.

Полупроводник N-типа допирован донорскими примесями, такими как фосфор (P), что делает электроны большинством носителей.

Когда материалы P-типа и N-типа вступают в контакт, электроны из N-области диффузируются в P-область, а отверстия из P-области диффузируются в N-область. Эта диффузия создает область истощения, где электроны и отверстия рекомбинируются, оставляя заряженные ионы, которые создают внутреннее электрическое поле, известное как встроенный потенциальный барьер.

2. Роль соединения PN в лазерах
 (1) инъекция носителя
Когда лазер работает, PN-соединение наклонено вперед: P-область подключена к положительному напряжению, а N-область к отрицательному напряжению. Это отменяет внутреннее электрическое поле, позволяя электронам и отверстиям вводиться в активную область на стыке, где они, скорее всего, рекомбинируются.

 (2) Световое излучение: происхождение стимулированного излучения
В активной области введенные электроны и отверстия рекомбинируются и высвобождают фотоны. Изначально этот процесс является спонтанным излучением, но по мере увеличения плотности фотонов фотоны могут стимулировать дальнейшую рекомбинацию электрона-дыры, высвобождая дополнительные фотоны с той же фазой, направлением и энергией - это стимулированное излучение.

Этот процесс формирует основу лазера (усиление света стимулированным излучением излучения).

 (3) Увеличение и резонантные полости формируют лазерный выход
Для усиления стимулированного излучения полупроводниковые лазеры включают резонансные полости с обеих сторон PN-соединения. Например, в лазерах с излучением края это может быть достигнуто с помощью распределенных отражателей Брэгга (DBR) или зеркальных покрытий для отражения света вперед и назад. Эта настройка позволяет усиливать определенные длины волн света, что в конечном итоге приводит к высоко согласованному и направленному лазерному выходу.

3. Структуры соединения PN и оптимизация конструкции
В зависимости от типа полупроводникового лазера, структура PN может варьироваться:

Одиночное гетеросоединение (SH):
P-область, N-область и активная область изготовлены из одного и того же материала. Регион рекомбинации широк и менее эффективен.

Двойное гетеросоединение (DH):
Активный слой с более узким пропускным разрывом помещен между P- и N-регионами. Это ограничивает как носители, так и фотоны, значительно повышая эффективность.

Структура квантовой скважины:
Использует сверхтонкий активный слой для создания эффектов квантового ограничения, улучшая пороговые характеристики и скорость модуляции.

Все эти конструкции предназначены для повышения эффективности впрыска носителя, рекомбинации и излучения света в области соединения PN.

4. Вывод
PN-соединение действительно является «сердцем» полупроводникового лазера. Его способность инъектировать носители под передовым уклонением является фундаментальным триггером для генерации лазера. От конструкционного проектирования и выбора материала до фотонного управления, производительность всего лазерного устройства вращается вокруг оптимизации PN-соединения.

По мере того как оптоэлектронные технологии продолжают развиваться, более глубокое понимание физики PN-соединения не только повышает производительность лазера, но и закладывает прочную основу для разработки следующего поколения высокомощных, высокоскоростных и недорогих полупроводниковых лазеров.