S rychlým rozvojem optoelektronické technologie našly polovodičové lasery široké uplatnění v oblastech, jako je komunikace, lékařské zařízení, laserové měření vzdálenosti, průmyslové zpracování a spotřební elektronika. Jádrem této technologie je PN přechod, který hraje zásadní roli – nejen jako zdroj emise světla, ale také jako základ fungování zařízení. Tento článek poskytuje jasný a stručný přehled struktury, principů a klíčových funkcí PN přechodu v polovodičových laserech.
1. Co je to PN spoj?
PN přechod je rozhraní vytvořené mezi polovodičem typu P a polovodičem typu N:
Polovodič typu P je dopován akceptorovými nečistotami, jako je bor (B), což z děr dělá většinové nosiče náboje.
Polovodič typu N je dopován donorovými nečistotami, jako je fosfor (P), takže elektrony jsou většinovými nosiči náboje.
Když se materiály typu P a typu N dostanou do kontaktu, elektrony z oblasti N difundují do oblasti P a díry z oblasti P difundují do oblasti N. Tato difuze vytváří oblast vyčerpání, kde se elektrony a díry rekombinují a zanechávají nabité ionty, které vytvářejí vnitřní elektrické pole, známé jako vestavěná potenciálová bariéra.
2. Úloha PN přechodu v laserech
(1) Vstřikování nosiče
Když laser pracuje, je PN přechod polaritní: oblast P je připojena ke kladnému napětí a oblast N k zápornému napětí. Tím se ruší vnitřní elektrické pole, což umožňuje vstřikování elektronů a děr do aktivní oblasti na přechodu, kde se pravděpodobně rekombinují.
(2) Emise světla: Původ stimulované emise
V aktivní oblasti se vstřikované elektrony a díry rekombinují a uvolňují fotony. Zpočátku se jedná o spontánní emisi, ale s rostoucí hustotou fotonů mohou fotony stimulovat další elektronově-děrovou rekombinaci a uvolňovat další fotony se stejnou fází, směrem a energií – jedná se o stimulovanou emisi.
Tento proces tvoří základ laseru (zesílení světla stimulovanou emisí záření).
(3) Zisk a rezonanční dutiny tvoří laserový výstup
Pro zesílení stimulované emise obsahují polovodičové lasery rezonanční dutiny na obou stranách PN přechodu. Například u laserů s okrajovou emisí lze toho dosáhnout pomocí distribuovaných Braggových reflektorů (DBR) nebo zrcadlových povlaků pro odrážení světla tam a zpět. Toto uspořádání umožňuje zesílení specifických vlnových délek světla, což nakonec vede k vysoce koherentnímu a směrovému laserovému výstupu.
3. Konstrukce PN spojů a optimalizace návrhu
V závislosti na typu polovodičového laseru se může struktura PN lišit:
Jednoduchá heterojunkce (SH):
P-oblast, N-oblast a aktivní oblast jsou vyrobeny ze stejného materiálu. Rekombinační oblast je široká a méně účinná.
Dvojitá heterojunkce (DH):
Mezi oblastmi P a N je vložena aktivní vrstva s užším pásmovým zakázaným pásmem. To omezuje jak nosiče náboje, tak fotony, což výrazně zlepšuje účinnost.
Struktura kvantové jámy:
Používá ultratenkou aktivní vrstvu k vytvoření efektů kvantového omezení, čímž zlepšuje prahové charakteristiky a rychlost modulace.
Všechny tyto struktury jsou navrženy tak, aby zvýšily účinnost vstřikování nosičů náboje, rekombinace a emise světla v oblasti PN přechodu.
4. Závěr
PN přechod je skutečně „srdcem“ polovodičového laseru. Jeho schopnost injektovat nosiče náboje v přímém směru je základním spouštěčem generování laseru. Od konstrukčního návrhu a výběru materiálu až po řízení fotonů se výkon celého laserového zařízení točí kolem optimalizace PN přechodu.
S neustálým pokrokem optoelektronických technologií hlubší pochopení fyziky PN přechodů nejen zlepšuje výkon laseru, ale také pokládá pevný základ pro vývoj další generace vysoce výkonných, vysokorychlostních a levných polovodičových laserů.
Čas zveřejnění: 28. května 2025