Dengan perkembangan pesat teknologi optoelektronik, laser semikonduktor telah menemui aplikasi yang meluas dalam bidang seperti komunikasi, peralatan perubatan, julat laser, pemprosesan industri dan elektronik pengguna. Pada teras teknologi ini terletak persimpangan PN, yang memainkan peranan penting—bukan sahaja sebagai sumber pancaran cahaya tetapi juga sebagai asas operasi peranti. Artikel ini memberikan gambaran keseluruhan yang jelas dan ringkas tentang struktur, prinsip dan fungsi utama persimpangan PN dalam laser semikonduktor.
1. Apakah itu PN Junction?
Persimpangan PN ialah antara muka yang terbentuk antara semikonduktor jenis-P dan semikonduktor jenis-N:
Semikonduktor jenis P didop dengan kekotoran penerima, seperti boron (B), menjadikan lubang sebagai pembawa cas majoriti.
Semikonduktor jenis N didop dengan kekotoran penderma, seperti fosforus (P), menjadikan elektron sebagai pembawa majoriti.
Apabila bahan jenis P dan jenis N disentuh, elektron dari rantau N meresap ke rantau P, dan lubang dari rantau P meresap ke rantau N. Penyebaran ini mewujudkan kawasan penyusutan di mana elektron dan lubang bergabung semula, meninggalkan ion bercas yang mencipta medan elektrik dalaman, yang dikenali sebagai penghalang potensi terbina dalam.
2. Peranan PN Junction dalam Laser
(1) Suntikan Pembawa
Apabila laser beroperasi, persimpangan PN dipincang ke hadapan: rantau P disambungkan kepada voltan positif, dan rantau N kepada voltan negatif. Ini membatalkan medan elektrik dalaman, membenarkan elektron dan lubang disuntik ke dalam kawasan aktif di persimpangan, di mana ia mungkin akan bergabung semula.
(2) Pancaran Cahaya: Asal-usul Pancaran Terrangsang
Di kawasan aktif, elektron dan lubang yang disuntik bergabung semula dan membebaskan foton. Pada mulanya, proses ini adalah pelepasan spontan, tetapi apabila ketumpatan foton meningkat, foton boleh merangsang penggabungan semula lubang elektron selanjutnya, melepaskan foton tambahan dengan fasa, arah dan tenaga yang sama-ini adalah pelepasan yang dirangsang.
Proses ini membentuk asas laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
(3) Keuntungan dan Rongga Resonan Membentuk Output Laser
Untuk menguatkan pelepasan yang dirangsang, laser semikonduktor termasuk rongga resonan pada kedua-dua belah simpang PN. Dalam laser pemancar tepi, sebagai contoh, ini boleh dicapai menggunakan Pemantul Bragg Teragih (DBR) atau salutan cermin untuk memantulkan cahaya ke belakang dan sebagainya. Persediaan ini membolehkan panjang gelombang cahaya tertentu dikuatkan, akhirnya menghasilkan output laser yang sangat koheren dan berarah.
3. Struktur Persimpangan PN dan Pengoptimuman Reka Bentuk
Bergantung pada jenis laser semikonduktor, struktur PN mungkin berbeza-beza:
Heterojunction Tunggal (SH):
Rantau P, rantau N dan kawasan aktif diperbuat daripada bahan yang sama. Kawasan penggabungan semula adalah luas dan kurang cekap.
Heterojunction Berganda (DH):
Lapisan aktif celah jalur yang lebih sempit diapit di antara wilayah P- dan N. Ini mengehadkan kedua-dua pembawa dan foton, meningkatkan kecekapan dengan ketara.
Struktur Telaga Kuantum:
Menggunakan lapisan aktif ultra nipis untuk mencipta kesan kurungan kuantum, meningkatkan ciri ambang dan kelajuan modulasi.
Semua struktur ini direka bentuk untuk meningkatkan kecekapan suntikan pembawa, penggabungan semula dan pelepasan cahaya di kawasan persimpangan PN.
4. Kesimpulan
Persimpangan PN benar-benar "jantung" laser semikonduktor. Keupayaannya untuk menyuntik pembawa di bawah berat sebelah hadapan adalah pencetus asas untuk penjanaan laser. Daripada reka bentuk struktur dan pemilihan bahan kepada kawalan foton, prestasi keseluruhan peranti laser berkisar pada pengoptimuman persimpangan PN.
Memandangkan teknologi optoelektronik terus maju, pemahaman yang lebih mendalam tentang fizik simpang PN bukan sahaja meningkatkan prestasi laser tetapi juga meletakkan asas yang kukuh untuk pembangunan generasi seterusnya bagi laser semikonduktor berkuasa tinggi, berkelajuan tinggi dan kos rendah.
Masa siaran: Mei-28-2025