സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളുടെ ഹൃദയം: പിഎൻ ജംഗ്ഷൻ മനസ്സിലാക്കൽ

ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക് സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ദ്രുതഗതിയിലുള്ള വികാസത്തോടെ, ആശയവിനിമയങ്ങൾ, മെഡിക്കൽ ഉപകരണങ്ങൾ, ലേസർ ശ്രേണി, വ്യാവസായിക സംസ്കരണം, ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ് തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകൾ വ്യാപകമായ പ്രയോഗങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ കാതലായ ഭാഗത്ത് പിഎൻ ജംഗ്ഷൻ സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു, ഇത് പ്രകാശ ഉദ്‌വമനത്തിന്റെ ഉറവിടമായി മാത്രമല്ല, ഉപകരണത്തിന്റെ പ്രവർത്തനത്തിന്റെ അടിത്തറയായും ഒരു പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളിലെ പിഎൻ ജംഗ്ഷന്റെ ഘടന, തത്വങ്ങൾ, പ്രധാന പ്രവർത്തനങ്ങൾ എന്നിവയുടെ വ്യക്തവും സംക്ഷിപ്തവുമായ ഒരു അവലോകനം ഈ ലേഖനം നൽകുന്നു.

1. പിഎൻ ജംഗ്ഷൻ എന്താണ്?

ഒരു P-ടൈപ്പ് സെമികണ്ടക്ടറിനും N-ടൈപ്പ് സെമികണ്ടക്ടറിനും ഇടയിൽ രൂപം കൊള്ളുന്ന ഇന്റർഫേസാണ് PN ജംഗ്ഷൻ:

പി-ടൈപ്പ് അർദ്ധചാലകത്തിൽ ബോറോൺ (B) പോലുള്ള സ്വീകാര്യ മാലിന്യങ്ങൾ ഡോപ്പ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, ഇത് ദ്വാരങ്ങളെ ഭൂരിഭാഗവും ചാർജ് കാരിയറുകളാക്കുന്നു.

N-ടൈപ്പ് അർദ്ധചാലകത്തിൽ ഫോസ്ഫറസ് (P) പോലുള്ള ദാതാവിന്റെ മാലിന്യങ്ങൾ ഡോപ്പ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, ഇത് ഇലക്ട്രോണുകളെ ഭൂരിപക്ഷം വാഹകരാക്കുന്നു.

പി-ടൈപ്പ്, എൻ-ടൈപ്പ് വസ്തുക്കൾ സമ്പർക്കത്തിലേക്ക് വരുമ്പോൾ, എൻ-മേഖലയിൽ നിന്നുള്ള ഇലക്ട്രോണുകൾ പി-മേഖലയിലേക്കും, പി-മേഖലയിൽ നിന്നുള്ള ദ്വാരങ്ങൾ എൻ-മേഖലയിലേക്കും വ്യാപിക്കുന്നു. ഈ വ്യാപനം ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും വീണ്ടും സംയോജിക്കുന്ന ഒരു ശോഷണ മേഖല സൃഷ്ടിക്കുന്നു, ഇത് ചാർജ്ജ് ചെയ്ത അയോണുകളെ അവശേഷിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ഒരു ആന്തരിക വൈദ്യുത മണ്ഡലം സൃഷ്ടിക്കുന്നു, ഇത് ബിൽറ്റ്-ഇൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ ബാരിയർ എന്നറിയപ്പെടുന്നു.

2. ലേസറുകളിൽ പിഎൻ ജംഗ്ഷന്റെ പങ്ക്

(1) കാരിയർ ഇഞ്ചക്ഷൻ

ലേസർ പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ, PN ജംഗ്ഷൻ ഫോർവേഡ് ബയസ്ഡ് ആണ്: P-മേഖല ഒരു പോസിറ്റീവ് വോൾട്ടേജിലേക്കും N-മേഖല ഒരു നെഗറ്റീവ് വോൾട്ടേജിലേക്കും ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. ഇത് ആന്തരിക വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തെ റദ്ദാക്കുന്നു, ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും ജംഗ്ഷനിലെ സജീവ മേഖലയിലേക്ക് കുത്തിവയ്ക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു, അവിടെ അവ വീണ്ടും സംയോജിക്കാൻ സാധ്യതയുണ്ട്.

(2) പ്രകാശ ഉദ്‌വമനം: ഉത്തേജിത ഉദ്‌വമനത്തിന്റെ ഉത്ഭവം

സജീവ മേഖലയിൽ, കുത്തിവച്ച ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും വീണ്ടും സംയോജിച്ച് ഫോട്ടോണുകൾ പുറത്തുവിടുന്നു. തുടക്കത്തിൽ, ഈ പ്രക്രിയ സ്വയമേവയുള്ള ഉദ്‌വമനമാണ്, എന്നാൽ ഫോട്ടോൺ സാന്ദ്രത വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച്, ഫോട്ടോണുകൾക്ക് കൂടുതൽ ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ പുനഃസംയോജനത്തെ ഉത്തേജിപ്പിക്കാൻ കഴിയും, അതേ ഘട്ടം, ദിശ, ഊർജ്ജം എന്നിവയുള്ള അധിക ഫോട്ടോണുകൾ പുറത്തുവിടുന്നു - ഇത് ഉത്തേജിത ഉദ്‌വമനമാണ്.

ഈ പ്രക്രിയയാണ് ലേസറിന്റെ (ഉത്തേജിത വികിരണത്തിലൂടെ പ്രകാശ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ) അടിത്തറയാകുന്നത്.

(3) ഗെയിൻ ആൻഡ് റെസൊണന്റ് കാവിറ്റികൾ ലേസർ ഔട്ട്പുട്ടായി മാറുന്നു

ഉത്തേജിത ഉദ്‌വമനം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന്, സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളിൽ PN ജംഗ്ഷന്റെ ഇരുവശത്തുമുള്ള റെസൊണന്റ് കാവിറ്റികൾ ഉൾപ്പെടുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, എഡ്ജ്-എമിറ്റിംഗ് ലേസറുകളിൽ, ഡിസ്ട്രിബ്യൂട്ടഡ് ബ്രാഗ് റിഫ്ലക്ടറുകൾ (DBR-കൾ) അല്ലെങ്കിൽ പ്രകാശത്തെ മുന്നോട്ടും പിന്നോട്ടും പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്നതിനായി മിറർ കോട്ടിംഗുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഇത് നേടാനാകും. ഈ സജ്ജീകരണം പ്രകാശത്തിന്റെ നിർദ്ദിഷ്ട തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾ വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു, ഇത് ഒടുവിൽ വളരെ സ്ഥിരതയുള്ളതും ദിശാസൂചനയുള്ളതുമായ ലേസർ ഔട്ട്‌പുട്ടിന് കാരണമാകുന്നു.

3. പിഎൻ ജംഗ്ഷൻ ഘടനകളും ഡിസൈൻ ഒപ്റ്റിമൈസേഷനും

സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറിന്റെ തരം അനുസരിച്ച്, പിഎൻ ഘടന വ്യത്യാസപ്പെടാം:

സിംഗിൾ ഹെറ്ററോജംഗ്ഷൻ (SH):
പി-മേഖല, എൻ-മേഖല, സജീവ മേഖല എന്നിവ ഒരേ മെറ്റീരിയൽ കൊണ്ടാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. പുനഃസംയോജന മേഖല വിശാലവും കാര്യക്ഷമത കുറഞ്ഞതുമാണ്.

ഇരട്ട ഹെറ്ററോജംഗ്ഷൻ (DH):
P- നും N- മേഖലകൾക്കും ഇടയിൽ ഒരു ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് സജീവ പാളി സാൻഡ്‌വിച്ച് ചെയ്‌തിരിക്കുന്നു. ഇത് കാരിയറുകളെയും ഫോട്ടോണുകളെയും പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു, ഇത് കാര്യക്ഷമത ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു.

ക്വാണ്ടം കിണർ ഘടന:
ക്വാണ്ടം കൺഫെയിൻമെന്റ് ഇഫക്റ്റുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നതിനും, ത്രെഷോൾഡ് സ്വഭാവസവിശേഷതകളും മോഡുലേഷൻ വേഗതയും മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും ഒരു അൾട്രാ-നേർത്ത സജീവ പാളി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

പിഎൻ ജംഗ്ഷൻ മേഖലയിൽ കാരിയർ ഇഞ്ചക്ഷൻ, റീകോമ്പിനേഷൻ, പ്രകാശ ഉദ്വമനം എന്നിവയുടെ കാര്യക്ഷമത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനാണ് ഈ ഘടനകളെല്ലാം രൂപകൽപ്പന ചെയ്തിരിക്കുന്നത്.

4. ഉപസംഹാരം

ഒരു സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറിന്റെ "ഹൃദയം" ആണ് PN ജംഗ്ഷൻ. ഫോർവേഡ് ബയസിന് കീഴിൽ കാരിയറുകൾ കുത്തിവയ്ക്കാനുള്ള അതിന്റെ കഴിവാണ് ലേസർ ജനറേഷനുള്ള അടിസ്ഥാന ട്രിഗർ. ഘടനാപരമായ രൂപകൽപ്പനയും മെറ്റീരിയൽ തിരഞ്ഞെടുപ്പും മുതൽ ഫോട്ടോൺ നിയന്ത്രണം വരെ, മുഴുവൻ ലേസർ ഉപകരണത്തിന്റെയും പ്രകടനം PN ജംഗ്ഷൻ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിനെ ചുറ്റിപ്പറ്റിയാണ്.

ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് സാങ്കേതികവിദ്യകൾ പുരോഗമിക്കുമ്പോൾ, പിഎൻ ജംഗ്ഷൻ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള ധാരണ ലേസർ പ്രകടനം വർദ്ധിപ്പിക്കുക മാത്രമല്ല, അടുത്ത തലമുറയിലെ ഉയർന്ന പവർ, ഉയർന്ന വേഗത, കുറഞ്ഞ വിലയുള്ള സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളുടെ വികസനത്തിന് ശക്തമായ അടിത്തറയിടുകയും ചെയ്യുന്നു.