Dengan perkembangan pesat teknologi optoelektronik, laser semikonduktor telah menemui aplikasi yang meluas dalam bidang seperti komunikasi, peralatan perubatan, julat laser, pemprosesan perindustrian dan elektronik pengguna. Teras teknologi ini terletaknya simpang 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 simpang PN dalam laser semikonduktor.
1. Apakah itu Persimpangan PN?
Persimpangan PN ialah antara muka yang terbentuk antara semikonduktor jenis-P dan semikonduktor jenis-N:
Semikonduktor jenis-P didop dengan bendasing penerima, seperti boron (B), menjadikan lubang sebagai pembawa cas majoriti.
Semikonduktor jenis-N didop dengan bendasing penderma, seperti fosforus (P), menjadikan elektron sebagai pembawa majoriti.
Apabila bahan jenis-P dan jenis-N bersentuhan, elektron dari rantau-N meresap ke dalam rantau-P, dan lubang dari rantau-P meresap ke dalam rantau-N. Resap ini mewujudkan kawasan susutan di mana elektron dan lubang bergabung semula, meninggalkan ion bercas yang menghasilkan medan elektrik dalaman, yang dikenali sebagai penghalang keupayaan terbina dalam.
2. Peranan Persimpangan PN dalam Laser
(1) Suntikan Pembawa
Apabila laser beroperasi, simpang PN dipincang ke hadapan: rantau P disambungkan kepada voltan positif dan rantau N disambungkan kepada voltan negatif. Ini membatalkan medan elektrik dalaman, membolehkan elektron dan lubang disuntik ke dalam rantau aktif di simpang, di mana ia berkemungkinan akan bergabung semula.
(2) Pelepasan Cahaya: Asal Usul Pelepasan Terrangsang
Di kawasan aktif, elektron dan lubang yang disuntik bergabung semula dan melepaskan foton. Pada mulanya, proses ini adalah pancaran spontan, tetapi apabila ketumpatan foton meningkat, foton boleh merangsang penggabungan semula elektron-lubang selanjutnya, melepaskan foton tambahan dengan fasa, arah dan tenaga yang sama—ini adalah pancaran yang dirangsang.
Proses ini membentuk asas laser (Penguatan Cahaya melalui Pancaran Sinaran yang Dirangsang).
(3) Output Laser Bentuk Kaviti Gandaan dan Resonan
Untuk menguatkan pancaran terangsang, laser semikonduktor merangkumi 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 depan dan ke belakang. 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):
Kawasan P, kawasan N dan kawasan aktif diperbuat daripada bahan yang sama. Kawasan rekombinasi adalah luas dan kurang cekap.
Heterojunction Berganda (DH):
Lapisan aktif jurang jalur yang lebih sempit diapit di antara kawasan P dan N. Ini mengehadkan kedua-dua pembawa dan foton, sekali gus meningkatkan kecekapan dengan ketara.
Struktur Telaga Kuantum:
Menggunakan lapisan aktif ultra nipis untuk mencipta kesan pengurungan kuantum, meningkatkan ciri ambang dan kelajuan modulasi.
Struktur ini semuanya direka bentuk untuk meningkatkan kecekapan suntikan pembawa, penggabungan semula dan pancaran cahaya di kawasan simpang PN.
4. Kesimpulan
Persimpangan PN sememangnya merupakan "jantung" laser semikonduktor. Keupayaannya untuk menyuntik pembawa di bawah bias ke hadapan merupakan pencetus asas untuk penjanaan laser. Daripada reka bentuk struktur dan pemilihan bahan hinggalah kawalan foton, prestasi keseluruhan peranti laser berkisar tentang pengoptimuman simpang PN.
Seiring dengan kemajuan teknologi optoelektronik, pemahaman yang lebih mendalam tentang fizik simpang PN bukan sahaja meningkatkan prestasi laser tetapi juga meletakkan asas yang kukuh untuk pembangunan laser semikonduktor berkuasa tinggi, berkelajuan tinggi dan kos rendah generasi akan datang.
Masa siaran: 28 Mei 2025