Co rápido desenvolvemento da tecnoloxía optoelectrónica, os láseres semicondutores atoparon amplas aplicacións en campos como as comunicacións, os equipos médicos, a medición de distancia láser, o procesamento industrial e a electrónica de consumo. No núcleo desta tecnoloxía atópase a unión PN, que desempeña un papel vital, non só como fonte de emisión de luz, senón tamén como base do funcionamento do dispositivo. Este artigo ofrece unha visión xeral clara e concisa da estrutura, os principios e as funcións clave da unión PN nos láseres semicondutores.
1. Que é unha unión PN?
Unha unión PN é a interface formada entre un semicondutor de tipo P e un semicondutor de tipo N:
O semicondutor de tipo P está dopado con impurezas aceptoras, como o boro (B), o que fai que os buratos sexan a maioría dos portadores de carga.
O semicondutor de tipo N está dopado con impurezas doantes, como o fósforo (P), o que fai que os electróns sexan os portadores maioritarios.
Cando os materiais de tipo P e de tipo N entran en contacto, os electróns da rexión N difunden cara á rexión P e os buratos da rexión P difunden cara á rexión N. Esta difusión crea unha rexión de esgotamento onde os electróns e os buratos se recombinan, deixando atrás ións cargados que crean un campo eléctrico interno, coñecido como barreira de potencial incorporada.
2. O papel da unión PN nos láseres
(1) Inxección de portador
Cando o láser funciona, a unión PN está polarizada directamente: a rexión P está conectada a unha tensión positiva e a rexión N a unha tensión negativa. Isto cancela o campo eléctrico interno, o que permite que os electróns e os buratos sexan inxectados na rexión activa da unión, onde é probable que se recombinen.
(2) Emisión de luz: a orixe da emisión estimulada
Na rexión activa, os electróns e os buratos inxectados recombinanse e liberan fotóns. Inicialmente, este proceso é unha emisión espontánea, pero a medida que a densidade de fotóns aumenta, os fotóns poden estimular unha maior recombinación electrón-burato, liberando fotóns adicionais coa mesma fase, dirección e enerxía: isto chámase emisión estimulada.
Este proceso constitúe a base dun láser (amplificación da luz por emisión estimulada de radiación).
(3) A ganancia e as cavidades resonantes forman a saída do láser
Para amplificar a emisión estimulada, os láseres semicondutores inclúen cavidades resonantes a ambos os dous lados da unión PN. Nos láseres de emisión de bordo, por exemplo, isto pódese conseguir usando reflectores de Bragg distribuídos (DBR) ou revestimentos de espello para reflectir a luz cara a adiante e cara a atrás. Esta configuración permite amplificar lonxitudes de onda específicas da luz, o que finalmente resulta nunha saída láser altamente coherente e direccional.
3. Estruturas de unións PN e optimización do deseño
Dependendo do tipo de láser semicondutor, a estrutura PN pode variar:
Heterounión simple (SH):
A rexión P, a rexión N e a rexión activa están feitas do mesmo material. A rexión de recombinación é ampla e menos eficiente.
Dobre heterounión (DH):
Unha capa activa con intervalo de banda máis estreito está intercalada entre as rexións P e N. Isto confina tanto os portadores como os fotóns, mellorando significativamente a eficiencia.
Estrutura do pozo cuántico:
Emprega unha capa activa ultrafina para crear efectos de confinamento cuántico, mellorando as características de limiar e a velocidade de modulación.
Todas estas estruturas están deseñadas para mellorar a eficiencia da inxección de portadores, a recombinación e a emisión de luz na rexión da unión PN.
4. Conclusión
A unión PN é realmente o "corazón" dun láser semicondutor. A súa capacidade para inxectar portadores con polarización directa é o detonante fundamental para a xeración de láser. Desde o deseño estrutural e a selección de materiais ata o control de fotóns, o rendemento de todo o dispositivo láser xira arredor da optimización da unión PN.
A medida que as tecnoloxías optoelectrónicas continúan avanzando, unha comprensión máis profunda da física das unións PN non só mellora o rendemento dos láseres, senón que tamén senta unha base sólida para o desenvolvemento da próxima xeración de láseres semicondutores de alta potencia, alta velocidade e baixo custo.
Data de publicación: 28 de maio de 2025