Vďaka rýchlemu rozvoju optoelektronickej technológie našli polovodičové lasery široké uplatnenie v oblastiach, ako sú komunikácie, zdravotnícke zariadenia, laserové meranie vzdialenosti, priemyselné spracovanie a spotrebná elektronika. Jadrom tejto technológie je PN prechod, ktorý zohráva dôležitú úlohu – nielen ako zdroj emisie svetla, ale aj ako základ fungovania zariadenia. Tento článok poskytuje jasný a stručný prehľad štruktúry, princípov a kľúčových funkcií PN prechodu v polovodičových laseroch.
1. Čo je PN prepojenie?
PN prechod je rozhranie vytvorené medzi polovodičom typu P a polovodičom typu N:
Polovodič typu P je dopovaný akceptorovými nečistotami, ako je bór (B), vďaka čomu sú diery väčšinovými nosičmi náboja.
Polovodič typu N je dopovaný donorovými nečistotami, ako je fosfor (P), vďaka čomu sú elektróny majoritnými nosičmi náboja.
Keď sa materiály typu P a typu N dostanú do kontaktu, elektróny z oblasti N difundujú do oblasti P a diery z oblasti P difundujú do oblasti N. Táto difúzia vytvára oblasť ochudobnenia, kde sa elektróny a diery rekombinujú a zanechávajú nabité ióny, ktoré vytvárajú vnútorné elektrické pole známe ako vstavaná potenciálová bariéra.
2. Úloha PN prechodu v laseroch
(1) Vstrekovanie nosiča
Keď laser pracuje, PN prechod je polaritný v priamom smere: oblasť P je pripojená ku kladnému napätiu a oblasť N k zápornému napätiu. Tým sa ruší vnútorné elektrické pole, čo umožňuje vstrekovanie elektrónov a dier do aktívnej oblasti na prechode, kde sa pravdepodobne rekombinujú.
(2) Emisia svetla: Pôvod stimulovanej emisie
V aktívnej oblasti sa vstreknuté elektróny a diery rekombinujú a uvoľňujú fotóny. Spočiatku je tento proces spontánna emisia, ale so zvyšujúcou sa hustotou fotónov môžu fotóny stimulovať ďalšiu elektrónovo-dierovú rekombináciu a uvoľňovať ďalšie fotóny s rovnakou fázou, smerom a energiou – ide o stimulovanú emisiu.
Tento proces tvorí základ laseru (zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia).
(3) Zisk a rezonančné dutiny tvoria laserový výstup
Na zosilnenie stimulovanej emisie polovodičové lasery obsahujú rezonančné dutiny na oboch stranách PN prechodu. Napríklad v laseroch s okrajovou emisiou sa to dá dosiahnuť použitím distribuovaných Braggových reflektorov (DBR) alebo zrkadlových povlakov na odrážanie svetla tam a späť. Toto nastavenie umožňuje zosilnenie špecifických vlnových dĺžok svetla, čo nakoniec vedie k vysoko koherentnému a smerovému laserovému výstupu.
3. Štruktúry PN spojov a optimalizácia návrhu
V závislosti od typu polovodičového laseru sa môže štruktúra PN líšiť:
Jednoduchá heterojunkcia (SH):
P-oblasť, N-oblasť a aktívna oblasť sú vyrobené z rovnakého materiálu. Rekombinačná oblasť je široká a menej účinná.
Dvojitá heterojunkcia (DH):
Medzi oblasťami P a N je vložená užšia aktívna vrstva s pásmovou medzerou. To obmedzuje nosiče náboja aj fotóny, čím sa výrazne zlepšuje účinnosť.
Štruktúra kvantovej jamy:
Používa ultratenkú aktívnu vrstvu na vytvorenie efektov kvantového obmedzenia, čím sa zlepšujú prahové charakteristiky a rýchlosť modulácie.
Všetky tieto štruktúry sú navrhnuté tak, aby zvýšili účinnosť vstrekovania nosičov náboja, rekombinácie a emisie svetla v oblasti PN prechodu.
4. Záver
PN prechod je skutočne „srdcom“ polovodičového laseru. Jeho schopnosť injektovať nosiče náboja pri priamom predpätí je základným spúšťačom pre generovanie laseru. Od konštrukčného návrhu a výberu materiálu až po riadenie fotónov sa výkon celého laserového zariadenia točí okolo optimalizácie PN prechodu.
S neustálym pokrokom optoelektronických technológií hlbšie pochopenie fyziky PN prechodov nielen zlepšuje výkon laseru, ale tiež kladie pevný základ pre vývoj novej generácie vysokovýkonných, vysokorýchlostných a lacných polovodičových laserov.
Čas uverejnenia: 28. mája 2025