جوهر ليزرات أشباه الموصلات: فهم وصلة PN

مع التطور السريع لتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية، وجدت ليزرات أشباه الموصلات تطبيقات واسعة النطاق في مجالات مثل الاتصالات، والمعدات الطبية، وقياس المدى بالليزر، والمعالجة الصناعية، والإلكترونيات الاستهلاكية. ويكمن جوهر هذه التكنولوجيا في وصلة PN، التي تلعب دورًا حيويًا، ليس فقط كمصدر لانبعاث الضوء، بل أيضًا كأساس لعمل الجهاز. تقدم هذه المقالة نظرة عامة واضحة وموجزة عن بنية وصلة PN ومبادئها ووظائفها الرئيسية في ليزرات أشباه الموصلات.

1. ما هو وصلة PN؟

الوصلة PN هي الواجهة المتكونة بين شبه موصل من النوع P وشبه موصل من النوع N:

يتم تطعيم أشباه الموصلات من النوع P بشوائب مستقبلة، مثل البورون (B)، مما يجعل الثقوب حاملات الشحنة الرئيسية.

يتم تطعيم أشباه الموصلات من النوع N بشوائب مانحة، مثل الفوسفور (P)، مما يجعل الإلكترونات هي حاملات الشحنة الرئيسية.

عند تلامس المواد من النوع P والنوع N، تنتشر الإلكترونات من المنطقة N إلى المنطقة P، وتنتشر الفجوات من المنطقة P إلى المنطقة N. يُنشئ هذا الانتشار منطقة استنزاف حيث تتحد الإلكترونات والفجوات، تاركةً وراءها أيونات مشحونة تُنشئ مجالًا كهربائيًا داخليًا، يُعرف بحاجز الجهد الداخلي.

2. دور وصلة PN في الليزر

(1) حقن الناقل

عند تشغيل الليزر، يكون وصلة PN منحازة انحيازًا أماميًا: حيث يتم توصيل المنطقة P بجهد موجب، والمنطقة N بجهد سالب. هذا يلغي المجال الكهربائي الداخلي، مما يسمح بحقن الإلكترونات والفجوات في المنطقة النشطة عند الوصلة، حيث من المرجح أن تتحد.

(2) انبعاث الضوء: أصل الانبعاث المحفز

في المنطقة النشطة، تتحد الإلكترونات والفجوات المحقونة وتطلق فوتونات. في البداية، تكون هذه العملية انبعاثًا تلقائيًا، ولكن مع ازدياد كثافة الفوتونات، يمكن للفوتونات أن تحفز المزيد من إعادة اتحاد الإلكترونات والفجوات، مما يؤدي إلى إطلاق فوتونات إضافية بنفس الطور والاتجاه والطاقة - وهذا ما يسمى بالانبعاث المحفز.

تشكل هذه العملية أساس الليزر (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع).

(3) تجاويف الكسب والرنين تشكل خرج الليزر

لزيادة تضخيم الانبعاث المحفز، تتضمن ليزرات أشباه الموصلات تجاويف رنانة على جانبي وصلة PN. في ليزرات الانبعاث الحافي، على سبيل المثال، يمكن تحقيق ذلك باستخدام عاكسات براغ الموزعة (DBRs) أو طبقات المرايا لعكس الضوء ذهابًا وإيابًا. يتيح هذا الإعداد تضخيم أطوال موجية محددة من الضوء، مما ينتج عنه في النهاية خرج ليزر عالي التماسك والاتجاه.

3. هياكل وصلات PN وتحسين التصميم

قد يختلف تركيب PN تبعاً لنوع ليزر أشباه الموصلات:

الوصلة غير المتجانسة المفردة (SH):
تتكون المنطقة P والمنطقة N والمنطقة النشطة من نفس المادة. منطقة إعادة التركيب واسعة وأقل كفاءة.

الوصلة غير المتجانسة المزدوجة (DH):
تتوسط طبقة فعالة ذات فجوة نطاق أضيق منطقتي P و N. هذا يحصر كلاً من حاملات الشحنة والفوتونات، مما يحسن الكفاءة بشكل ملحوظ.

بنية البئر الكمومي:
يستخدم طبقة نشطة رقيقة للغاية لإنشاء تأثيرات الحصر الكمي، مما يحسن خصائص العتبة وسرعة التعديل.

تم تصميم هذه الهياكل جميعها لتعزيز كفاءة حقن حاملات الشحنة وإعادة التركيب وانبعاث الضوء في منطقة وصلة PN.

4. الخاتمة

تُعدّ وصلة PN بمثابة "قلب" ليزر أشباه الموصلات. فقدرتها على حقن حاملات الشحنة تحت الانحياز الأمامي هي المحفز الأساسي لتوليد الليزر. بدءًا من التصميم الهيكلي واختيار المواد وصولًا إلى التحكم في الفوتونات، يدور أداء جهاز الليزر بأكمله حول تحسين وصلة PN.

مع استمرار تقدم تقنيات الإلكترونيات الضوئية، فإن الفهم الأعمق لفيزياء وصلة PN لا يعزز أداء الليزر فحسب، بل يضع أيضًا أساسًا متينًا لتطوير الجيل القادم من ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة وعالية السرعة ومنخفضة التكلفة.