Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ quang điện tử, laser bán dẫn đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như truyền thông, thiết bị y tế, đo khoảng cách bằng laser, xử lý công nghiệp và điện tử tiêu dùng. Cốt lõi của công nghệ này là mối nối PN, đóng vai trò quan trọng—không chỉ là nguồn phát sáng mà còn là nền tảng cho hoạt động của thiết bị. Bài viết này cung cấp tổng quan rõ ràng và súc tích về cấu trúc, nguyên lý và chức năng chính của mối nối PN trong laser bán dẫn.
1. Ngã ba PN là gì?
Tiếp giáp PN là giao diện được hình thành giữa chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N:
Chất bán dẫn loại P được pha tạp các tạp chất chấp nhận, chẳng hạn như bo (B), khiến lỗ trống trở thành chất mang điện tích chính.
Chất bán dẫn loại N được pha tạp các tạp chất cho, chẳng hạn như phốt pho (P), khiến electron trở thành hạt mang điện chính.
Khi vật liệu loại P và loại N tiếp xúc với nhau, các electron từ vùng N khuếch tán vào vùng P và các lỗ trống từ vùng P khuếch tán vào vùng N. Sự khuếch tán này tạo ra một vùng cạn kiệt, nơi các electron và lỗ trống kết hợp lại, để lại các ion tích điện tạo ra một trường điện bên trong, được gọi là rào thế tích hợp.
2. Vai trò của mối nối PN trong Laser
(1) Tiêm chất mang
Khi laser hoạt động, mối nối PN bị phân cực thuận: vùng P được kết nối với điện áp dương và vùng N được kết nối với điện áp âm. Điều này hủy bỏ trường điện bên trong, cho phép các electron và lỗ trống được đưa vào vùng hoạt động tại mối nối, nơi chúng có khả năng tái hợp.
(2) Phát xạ ánh sáng: Nguồn gốc của phát xạ kích thích
Trong vùng hoạt động, các electron và lỗ được tiêm vào tái hợp và giải phóng photon. Ban đầu, quá trình này là phát xạ tự phát, nhưng khi mật độ photon tăng lên, các photon có thể kích thích sự tái hợp electron-lỗ tiếp theo, giải phóng thêm các photon có cùng pha, hướng và năng lượng—đây là phát xạ kích thích.
Quá trình này tạo thành nền tảng của tia laser (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ bức xạ kích thích).
(3) Các khoang cộng hưởng và khuếch đại tạo thành đầu ra laser
Để khuếch đại phát xạ kích thích, laser bán dẫn bao gồm các khoang cộng hưởng ở cả hai bên của tiếp giáp PN. Ví dụ, trong laser phát xạ cạnh, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các bộ phản xạ Bragg phân tán (DBR) hoặc lớp phủ gương để phản xạ ánh sáng qua lại. Thiết lập này cho phép khuếch đại các bước sóng ánh sáng cụ thể, cuối cùng tạo ra đầu ra laser có tính đồng nhất và định hướng cao.
3. Cấu trúc nút giao PN và tối ưu hóa thiết kế
Tùy thuộc vào loại laser bán dẫn, cấu trúc PN có thể khác nhau:
Dị tiếp giáp đơn (SH):
Vùng P, vùng N và vùng hoạt động được tạo thành từ cùng một vật liệu. Vùng tái hợp rộng hơn và kém hiệu quả hơn.
Dị giao kép (DH):
Một lớp hoạt động có khoảng cách dải hẹp hơn được kẹp giữa vùng P và vùng N. Điều này hạn chế cả chất mang và photon, cải thiện đáng kể hiệu suất.
Cấu trúc giếng lượng tử:
Sử dụng lớp hoạt động siêu mỏng để tạo ra hiệu ứng giới hạn lượng tử, cải thiện đặc tính ngưỡng và tốc độ điều chế.
Tất cả các cấu trúc này đều được thiết kế để tăng cường hiệu quả của quá trình tiêm chất mang, tái hợp và phát xạ ánh sáng trong vùng tiếp giáp PN.
4. Kết luận
Tiếp giáp PN thực sự là “trái tim” của laser bán dẫn. Khả năng đưa các hạt mang điện vào dưới độ lệch thuận là yếu tố kích hoạt cơ bản để tạo ra laser. Từ thiết kế cấu trúc và lựa chọn vật liệu đến kiểm soát photon, hiệu suất của toàn bộ thiết bị laser đều xoay quanh việc tối ưu hóa tiếp giáp PN.
Khi công nghệ quang điện tử tiếp tục phát triển, việc hiểu sâu hơn về vật lý tiếp giáp PN không chỉ nâng cao hiệu suất của laser mà còn đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển của thế hệ laser bán dẫn công suất cao, tốc độ cao và chi phí thấp tiếp theo.
Thời gian đăng: 28-05-2025