సెమీకండక్టర్ లేజర్ల గుండె: PN జంక్షన్‌ను అర్థం చేసుకోవడం

ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ టెక్నాలజీ వేగంగా అభివృద్ధి చెందడంతో, సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లు కమ్యూనికేషన్స్, వైద్య పరికరాలు, లేజర్ రేంజింగ్, ఇండస్ట్రియల్ ప్రాసెసింగ్ మరియు కన్స్యూమర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ వంటి రంగాలలో విస్తృత అనువర్తనాలను కనుగొన్నాయి. ఈ టెక్నాలజీ యొక్క ప్రధాన భాగంలో PN జంక్షన్ ఉంది, ఇది కాంతి ఉద్గార మూలంగా మాత్రమే కాకుండా పరికరం యొక్క ఆపరేషన్ యొక్క పునాదిగా కూడా కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. ఈ వ్యాసం సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లలో PN జంక్షన్ యొక్క నిర్మాణం, సూత్రాలు మరియు కీలక విధుల యొక్క స్పష్టమైన మరియు సంక్షిప్త అవలోకనాన్ని అందిస్తుంది.

1. పిఎన్ జంక్షన్ అంటే ఏమిటి?

PN జంక్షన్ అనేది P- రకం సెమీకండక్టర్ మరియు N- రకం సెమీకండక్టర్ మధ్య ఏర్పడిన ఇంటర్‌ఫేస్:

P-రకం సెమీకండక్టర్‌ను బోరాన్ (B) వంటి అంగీకార మలినాలతో డోప్ చేస్తారు, దీని వలన రంధ్రాలు ఎక్కువ ఛార్జ్ క్యారియర్‌లుగా మారుతాయి.

N-రకం సెమీకండక్టర్‌లో ఫాస్ఫరస్ (P) వంటి దాత మలినాలతో డోప్ చేయబడి, ఎలక్ట్రాన్‌లను మెజారిటీ వాహకాలుగా మారుస్తుంది.

P-రకం మరియు N-రకం పదార్థాలను సంపర్కంలోకి తీసుకువచ్చినప్పుడు, N-ప్రాంతం నుండి ఎలక్ట్రాన్లు P-ప్రాంతంలోకి వ్యాపిస్తాయి మరియు P-ప్రాంతం నుండి రంధ్రాలు N-ప్రాంతంలోకి వ్యాపిస్తాయి. ఈ వ్యాపనం ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు తిరిగి కలిసే క్షీణత ప్రాంతాన్ని సృష్టిస్తుంది, అంతర్గత విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని సృష్టించే చార్జ్డ్ అయాన్లను వదిలివేస్తుంది, దీనిని అంతర్నిర్మిత సంభావ్య అవరోధం అని పిలుస్తారు.

2. లేజర్లలో PN జంక్షన్ పాత్ర

(1) క్యారియర్ ఇంజెక్షన్

లేజర్ పనిచేసేటప్పుడు, PN జంక్షన్ ఫార్వర్డ్ బయాస్డ్ గా ఉంటుంది: P-ప్రాంతం సానుకూల వోల్టేజ్ కు మరియు N-ప్రాంతం ప్రతికూల వోల్టేజ్ కు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది. ఇది అంతర్గత విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని రద్దు చేస్తుంది, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలను జంక్షన్ వద్ద క్రియాశీల ప్రాంతంలోకి ఇంజెక్ట్ చేయడానికి అనుమతిస్తుంది, అక్కడ అవి తిరిగి కలిసే అవకాశం ఉంది.

(2) కాంతి ఉద్గారం: ఉత్తేజిత ఉద్గారానికి మూలం

క్రియాశీల ప్రాంతంలో, ఇంజెక్ట్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు తిరిగి కలిసి ఫోటాన్‌లను విడుదల చేస్తాయి. ప్రారంభంలో, ఈ ప్రక్రియ ఆకస్మిక ఉద్గారం, కానీ ఫోటాన్ సాంద్రత పెరిగేకొద్దీ, ఫోటాన్లు మరింత ఎలక్ట్రాన్-రంధ్ర పునఃసంయోగాన్ని ప్రేరేపించగలవు, అదే దశ, దిశ మరియు శక్తితో అదనపు ఫోటాన్‌లను విడుదల చేస్తాయి - ఇది ఉత్తేజిత ఉద్గారం.

ఈ ప్రక్రియ లేజర్ (లైట్ యాంప్లిఫికేషన్ బై స్టిమ్యులేటెడ్ ఎమిషన్ ఆఫ్ రేడియేషన్) కు పునాది వేస్తుంది.

(3) గెయిన్ మరియు రెసొనెంట్ కావిటీస్ లేజర్ అవుట్‌పుట్‌ను ఏర్పరుస్తాయి

ఉత్తేజిత ఉద్గారాలను విస్తరించడానికి, సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లలో PN జంక్షన్ యొక్క రెండు వైపులా ప్రతిధ్వని కుహరాలు ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, అంచు-ఉద్గార లేజర్‌లలో, డిస్ట్రిబ్యూటెడ్ బ్రాగ్ రిఫ్లెక్టర్లు (DBRలు) లేదా కాంతిని ముందుకు వెనుకకు ప్రతిబింబించేలా మిర్రర్ పూతలను ఉపయోగించి దీనిని సాధించవచ్చు. ఈ సెటప్ కాంతి యొక్క నిర్దిష్ట తరంగదైర్ఘ్యాలను విస్తరించడానికి అనుమతిస్తుంది, చివరికి అత్యంత పొందికైన మరియు దిశాత్మక లేజర్ అవుట్‌పుట్‌కు దారితీస్తుంది.

3. PN జంక్షన్ నిర్మాణాలు మరియు డిజైన్ ఆప్టిమైజేషన్

సెమీకండక్టర్ లేజర్ రకాన్ని బట్టి, PN నిర్మాణం మారవచ్చు:

సింగిల్ హెటెరోజంక్షన్ (SH):
P-ప్రాంతం, N-ప్రాంతం మరియు క్రియాశీల ప్రాంతం ఒకే పదార్థంతో తయారు చేయబడ్డాయి. పునఃసంయోగ ప్రాంతం విస్తృతమైనది మరియు తక్కువ సామర్థ్యం కలిగి ఉంటుంది.

డబుల్ హెటెరోజంక్షన్ (DH):
P- మరియు N-ప్రాంతాల మధ్య ఒక ఇరుకైన బ్యాండ్‌గ్యాప్ యాక్టివ్ లేయర్ శాండ్‌విచ్ చేయబడింది. ఇది క్యారియర్‌లు మరియు ఫోటాన్‌లు రెండింటినీ పరిమితం చేస్తుంది, సామర్థ్యాన్ని గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తుంది.

క్వాంటం బావి నిర్మాణం:
క్వాంటం నిర్బంధ ప్రభావాలను సృష్టించడానికి, థ్రెషోల్డ్ లక్షణాలను మరియు మాడ్యులేషన్ వేగాన్ని మెరుగుపరచడానికి అల్ట్రా-సన్నని క్రియాశీల పొరను ఉపయోగిస్తుంది.

ఈ నిర్మాణాలన్నీ PN జంక్షన్ ప్రాంతంలో క్యారియర్ ఇంజెక్షన్, పునఃసంయోగం మరియు కాంతి ఉద్గారాల సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి రూపొందించబడ్డాయి.

4. ముగింపు

PN జంక్షన్ నిజంగా సెమీకండక్టర్ లేజర్ యొక్క "గుండె" లాంటిది. ఫార్వర్డ్ బయాస్ కింద క్యారియర్‌లను ఇంజెక్ట్ చేయగల దాని సామర్థ్యం లేజర్ ఉత్పత్తికి ప్రాథమిక ట్రిగ్గర్. స్ట్రక్చరల్ డిజైన్ మరియు మెటీరియల్ ఎంపిక నుండి ఫోటాన్ నియంత్రణ వరకు, మొత్తం లేజర్ పరికరం యొక్క పనితీరు PN జంక్షన్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయడం చుట్టూ తిరుగుతుంది.

ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ టెక్నాలజీలు అభివృద్ధి చెందుతున్న కొద్దీ, PN జంక్షన్ ఫిజిక్స్ యొక్క లోతైన అవగాహన లేజర్ పనితీరును మెరుగుపరచడమే కాకుండా, తదుపరి తరం హై-పవర్, హై-స్పీడ్ మరియు తక్కువ-ధర సెమీకండక్టర్ లేజర్‌ల అభివృద్ధికి బలమైన పునాది వేస్తుంది.