مع التطور السريع لتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية، انتشرت تطبيقات ليزر أشباه الموصلات على نطاق واسع في مجالات مثل الاتصالات، والمعدات الطبية، وقياس المسافات بالليزر، والمعالجة الصناعية، والإلكترونيات الاستهلاكية. ويرتكز هذا المبدأ على وصلة PN، التي تلعب دورًا حيويًا ليس فقط كمصدر لانبعاث الضوء، بل أيضًا كأساس لتشغيل الجهاز. تقدم هذه المقالة لمحة عامة واضحة وموجزة عن بنية ومبادئ ووظائف وصلة PN الرئيسية في ليزر أشباه الموصلات.
1. ما هو الوصلة PN؟
الوصلة PN هي الواجهة التي تتشكل بين أشباه الموصلات من النوع P وأشباه الموصلات من النوع N:
يتم تزويد أشباه الموصلات من النوع P بشوائب مستقبلة، مثل البورون (B)، مما يجعل الفجوات هي حاملات الشحنة الرئيسية.
يتم تزويد أشباه الموصلات من النوع N بشوائب مانحة، مثل الفوسفور (P)، مما يجعل الإلكترونات هي الناقلات 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 تتحد فيها الإلكترونات والفجوات، تاركةً وراءها أيونات مشحونة تُنشئ مجالًا كهربائيًا داخليًا، يُعرف باسم حاجز الجهد المدمج.
2. دور الوصلة PN في الليزر
(1) حقن الناقل
عند تشغيل الليزر، يكون الوصلة PN منحازة للأمام: تتصل المنطقة P بجهد موجب، والمنطقة N بجهد سالب. هذا يُلغي المجال الكهربائي الداخلي، مما يسمح بدخول الإلكترونات والفجوات إلى المنطقة النشطة عند الوصلة، حيث يُحتمل أن تتحد مجددًا.
(2) انبعاث الضوء: أصل الانبعاث المحفز
في المنطقة النشطة، تتحد الإلكترونات المحقونة والفجوات وتُطلق فوتونات. في البداية، تكون هذه العملية انبعاثًا تلقائيًّا، ولكن مع زيادة كثافة الفوتونات، يمكن للفوتونات تحفيز المزيد من إعادة اتحاد الإلكترونات والفجوات، مُطلقةً فوتونات إضافية بنفس الطور والاتجاه والطاقة - وهذا ما يُسمى بالانبعاث المُحفَّز.
تشكل هذه العملية الأساس لليزر (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع).
(3) تشكل التجاويف الرنانة والمكسب مخرجات الليزر
لتضخيم الانبعاث المُحفَّز، تتضمن ليزرات أشباه الموصلات تجاويف رنينية على جانبي الوصلة PN. على سبيل المثال، في ليزرات إصدار الحواف، يمكن تحقيق ذلك باستخدام عاكسات براغ الموزعة (DBRs) أو الطلاءات المرآة لعكس الضوء ذهابًا وإيابًا. يسمح هذا الإعداد بتضخيم أطوال موجية محددة من الضوء، مما ينتج عنه في النهاية خرج ليزر عالي التماسك والاتجاهية.
3. هياكل الوصلات PN وتحسين التصميم
اعتمادًا على نوع الليزر شبه الموصل، قد يختلف هيكل PN:
الوصلة غير المتجانسة المفردة (SH):
تتكون المنطقة P والمنطقة N والمنطقة النشطة من نفس المادة. أما منطقة إعادة التركيب، فهي واسعة وأقل كفاءة.
الوصلة غير المتجانسة المزدوجة (DH):
توجد طبقة نشطة ذات فجوة نطاق أضيق بين منطقتي P وN. هذا يحصر كلاً من الناقلات والفوتونات، مما يُحسّن الكفاءة بشكل ملحوظ.
بنية البئر الكمي:
يستخدم طبقة نشطة رقيقة للغاية لإنشاء تأثيرات احتواء كمية، مما يحسن خصائص العتبة وسرعة التعديل.
تم تصميم كل هذه الهياكل لتعزيز كفاءة حقن الناقل، وإعادة التركيب، وانبعاث الضوء في منطقة الوصلة PN.
4. الخاتمة
تُعدّ وصلة PN جوهر ليزر أشباه الموصلات. وتُعدّ قدرتها على حقن ناقلات الإشارة تحت انحياز أمامي العامل الأساسي لتوليد الليزر. ومن تصميم الهيكل واختيار المواد، وصولاً إلى التحكم في الفوتونات، يتمحور أداء جهاز الليزر بأكمله حول تحسين وصلة PN.
مع استمرار تقدم التقنيات البصرية الإلكترونية، فإن الفهم العميق لفيزياء الوصلة PN لا يعزز أداء الليزر فحسب، بل يضع أيضًا أساسًا متينًا لتطوير الجيل القادم من الليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة وعالية السرعة ومنخفضة التكلفة.
وقت النشر: ٢٨ مايو ٢٠٢٥