Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia optoelectrònica, els làsers semiconductors han trobat aplicacions generalitzades en camps com les comunicacions, els equips mèdics, la telemetria làser, el processament industrial i l'electrònica de consum. Al centre d'aquesta tecnologia hi ha la unió PN, que juga un paper vital, no només com a font d'emissió de llum, sinó també com a base del funcionament del dispositiu. Aquest article ofereix una visió general clara i concisa de l'estructura, els principis i les funcions clau de la unió PN en els làsers semiconductors.
1. Què és una unió PN?
Una unió PN és la interfície formada entre un semiconductor de tipus P i un semiconductor de tipus N:
El semiconductor de tipus P està dopat amb impureses acceptores, com ara el bor (B), cosa que fa que els forats siguin els portadors de càrrega majoritaris.
El semiconductor de tipus N està dopat amb impureses donadores, com ara el fòsfor (P), cosa que fa que els electrons siguin els portadors majoritaris.
Quan els materials de tipus P i de tipus N entren en contacte, els electrons de la regió N es difonen a la regió P, i els forats de la regió P es difonen a la regió N. Aquesta difusió crea una regió d'esgotament on els electrons i els forats es recombinen, deixant enrere ions carregats que creen un camp elèctric intern, conegut com a barrera de potencial incorporada.
2. El paper de la unió PN en els làsers
(1) Injecció de portador
Quan el làser funciona, la unió PN està polaritzada directament: la regió P està connectada a un voltatge positiu i la regió N a un voltatge negatiu. Això cancel·la el camp elèctric intern, permetent que els electrons i els forats s'injectin a la regió activa de la unió, on és probable que es recombinen.
(2) Emissió de llum: l'origen de l'emissió estimulada
A la regió activa, els electrons i els forats injectats es recombinen i alliberen fotons. Inicialment, aquest procés és d'emissió espontània, però a mesura que augmenta la densitat de fotons, els fotons poden estimular més recombinació electró-forat, alliberant fotons addicionals amb la mateixa fase, direcció i energia; això s'anomena emissió estimulada.
Aquest procés constitueix la base d'un làser (amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació).
(3) El guany i les cavitats ressonants formen la sortida làser
Per amplificar l'emissió estimulada, els làsers semiconductors inclouen cavitats ressonants a banda i banda de la unió PN. En els làsers d'emissió lateral, per exemple, això es pot aconseguir mitjançant reflectors de Bragg distribuïts (DBR) o recobriments de mirall per reflectir la llum d'anada i tornada. Aquesta configuració permet amplificar longituds d'ona específiques de la llum, donant com a resultat una sortida làser altament coherent i direccional.
3. Estructures de junció PN i optimització del disseny
Segons el tipus de làser semiconductor, l'estructura PN pot variar:
Heterojunció simple (SH):
La regió P, la regió N i la regió activa estan fetes del mateix material. La regió de recombinació és ampla i menys eficient.
Doble heterojunció (DH):
Una capa activa amb banda prohibida més estreta s'intercala entre les regions P i N. Això confina tant els portadors com els fotons, millorant significativament l'eficiència.
Estructura del pou quàntic:
Utilitza una capa activa ultrafina per crear efectes de confinament quàntic, millorant les característiques de llindar i la velocitat de modulació.
Totes aquestes estructures estan dissenyades per millorar l'eficiència de la injecció de portadors, la recombinació i l'emissió de llum a la regió de la unió PN.
4. Conclusió
La unió PN és realment el "cor" d'un làser semiconductor. La seva capacitat d'injectar portadors sota polarització directa és el detonant fonamental per a la generació de làser. Des del disseny estructural i la selecció de materials fins al control de fotons, el rendiment de tot el dispositiu làser gira al voltant de l'optimització de la unió PN.
A mesura que les tecnologies optoelectròniques continuen avançant, una comprensió més profunda de la física de les unions PN no només millora el rendiment del làser, sinó que també estableix una base sòlida per al desenvolupament de la propera generació de làsers semiconductors d'alta potència, alta velocitat i baix cost.
Data de publicació: 28 de maig de 2025