با توسعه سریع فناوری اپتوالکترونیک، لیزرهای نیمه‌هادی کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌هایی مانند ارتباطات، تجهیزات پزشکی، فاصله‌یابی لیزری، پردازش صنعتی و لوازم الکترونیکی مصرفی پیدا کرده‌اند. در هسته این فناوری، پیوند PN قرار دارد که نقش حیاتی ایفا می‌کند - نه تنها به عنوان منبع انتشار نور، بلکه به عنوان پایه و اساس عملکرد دستگاه. این مقاله مروری روشن و مختصر بر ساختار، اصول و عملکردهای کلیدی پیوند PN در لیزرهای نیمه‌هادی ارائه می‌دهد.
۱. پیوند PN چیست؟
پیوند PN رابطی است که بین یک نیمه‌رسانای نوع P و یک نیمه‌رسانای نوع N تشکیل می‌شود:
نیمه‌رسانای نوع P با ناخالصی‌های پذیرنده، مانند بور (B)، آلاییده می‌شود و حفره‌ها را به حامل‌های بار اکثریت تبدیل می‌کند.
نیمه‌رسانای نوع N با ناخالصی‌های دهنده، مانند فسفر (P)، آلاییده می‌شود و الکترون‌ها را به حامل‌های اکثریت تبدیل می‌کند.
وقتی مواد نوع P و نوع N در تماس با هم قرار می‌گیرند، الکترون‌ها از ناحیه N به ناحیه P و حفره‌ها از ناحیه P به ناحیه N نفوذ می‌کنند. این نفوذ یک ناحیه تخلیه ایجاد می‌کند که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها دوباره ترکیب می‌شوند و یون‌های بارداری را به جا می‌گذارند که یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌کنند که به عنوان یک سد پتانسیل داخلی شناخته می‌شود.
۲. نقش پیوند PN در لیزرها
(1) تزریق حامل
وقتی لیزر کار می‌کند، پیوند PN بایاس مستقیم دارد: ناحیه P به ولتاژ مثبت و ناحیه N به ولتاژ منفی متصل می‌شود. این امر میدان الکتریکی داخلی را لغو می‌کند و به الکترون‌ها و حفره‌ها اجازه می‌دهد تا به ناحیه فعال در پیوند تزریق شوند، جایی که احتمالاً دوباره ترکیب می‌شوند.
(2) انتشار نور: منشأ انتشار القایی
در ناحیه فعال، الکترون‌ها و حفره‌های تزریق‌شده بازترکیب شده و فوتون‌ها را آزاد می‌کنند. در ابتدا، این فرآیند گسیل خودبه‌خودی است، اما با افزایش چگالی فوتون، فوتون‌ها می‌توانند بازترکیب بیشتر الکترون-حفره را تحریک کنند و فوتون‌های اضافی را با همان فاز، جهت و انرژی آزاد کنند - این گسیل القایی است.
این فرآیند اساس لیزر (تقویت نور با گسیل القایی تابش) را تشکیل می‌دهد.
(3) بهره و حفره‌های تشدید از خروجی لیزر
برای تقویت گسیل القایی، لیزرهای نیمه‌هادی شامل حفره‌های رزونانس در دو طرف پیوند PN هستند. به عنوان مثال، در لیزرهای گسیلنده از لبه، این امر می‌تواند با استفاده از بازتابنده‌های براگ توزیع‌شده (DBR) یا پوشش‌های آینه‌ای برای بازتاب نور به جلو و عقب حاصل شود. این چیدمان اجازه می‌دهد طول موج‌های خاصی از نور تقویت شوند و در نهایت منجر به خروجی لیزر بسیار منسجم و جهت‌دار شود.
۳. ساختارهای پیوند PN و بهینه‌سازی طراحی
بسته به نوع لیزر نیمه‌هادی، ساختار PN ممکن است متفاوت باشد:
پیوند ناهمگون تکی (SH):
ناحیه P، ناحیه N و ناحیه فعال از یک ماده ساخته شده‌اند. ناحیه نوترکیبی پهن و کم‌بازده‌تر است.
پیوند ناهمگون دوگانه (DH):
یک لایه فعال با شکاف باند باریک‌تر بین نواحی P و N قرار گرفته است. این لایه، هم حامل‌ها و هم فوتون‌ها را محدود می‌کند و به طور قابل توجهی راندمان را بهبود می‌بخشد.
ساختار چاه کوانتومی:
از یک لایه فعال فوق نازک برای ایجاد اثرات محدودیت کوانتومی استفاده می‌کند و ویژگی‌های آستانه و سرعت مدولاسیون را بهبود می‌بخشد.
این ساختارها همگی برای افزایش راندمان تزریق حامل، بازترکیب و انتشار نور در ناحیه اتصال PN طراحی شده‌اند.
۴. نتیجه‌گیری
پیوند PN واقعاً «قلب» یک لیزر نیمه‌هادی است. توانایی آن در تزریق حامل‌ها تحت بایاس مستقیم، محرک اساسی برای تولید لیزر است. از طراحی ساختاری و انتخاب مواد گرفته تا کنترل فوتون، عملکرد کل دستگاه لیزر حول بهینه‌سازی پیوند PN می‌چرخد.
با پیشرفت مداوم فناوری‌های اپتوالکترونیک، درک عمیق‌تر از فیزیک پیوند PN نه تنها عملکرد لیزر را افزایش می‌دهد، بلکه پایه محکمی برای توسعه نسل بعدی لیزرهای نیمه‌هادی پرقدرت، پرسرعت و کم‌هزینه ایجاد می‌کند.
زمان ارسال: ۲۸ مه ۲۰۲۵