หัวใจของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: ทำความเข้าใจกับรอยต่อ PN

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร อุปกรณ์ทางการแพทย์ การวัดระยะด้วยเลเซอร์ การประมวลผลในอุตสาหกรรม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค จุดศูนย์กลางของเทคโนโลยีนี้คือ PN junction ซึ่งมีบทบาทสำคัญ ไม่เพียงแต่เป็นแหล่งกำเนิดแสงเท่านั้น แต่ยังเป็นรากฐานของการทำงานของอุปกรณ์อีกด้วย บทความนี้จะสรุปโครงสร้าง หลักการ และฟังก์ชันหลักของ PN junction ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างชัดเจนและกระชับ

1. PN Junction คืออะไร?

รอยต่อ PN คืออินเทอร์เฟซที่เกิดขึ้นระหว่างสารกึ่งตัวนำชนิด P และสารกึ่งตัวนำชนิด N:

สารกึ่งตัวนำชนิด P ถูกเจือด้วยสิ่งเจือปนของตัวรับ เช่น โบรอน (B) ทำให้โฮลทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่

สารกึ่งตัวนำชนิด N ถูกเจือปนด้วยสารเจือปน เช่น ฟอสฟอรัส (P) ทำให้มีอิเล็กตรอนเป็นตัวพาส่วนใหญ่

เมื่อวัสดุประเภท P และประเภท N สัมผัสกัน อิเล็กตรอนจากบริเวณ N จะแพร่กระจายเข้าไปในบริเวณ P และโฮลจากบริเวณ P จะแพร่กระจายเข้าไปในบริเวณ N การแพร่กระจายนี้จะสร้างบริเวณการพร่องซึ่งอิเล็กตรอนและโฮลจะรวมตัวกันใหม่ ทิ้งไอออนที่มีประจุไว้ ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าภายใน ซึ่งเรียกว่ากำแพงศักย์ในตัว

2. บทบาทของ PN Junction ในเลเซอร์

(1) การฉีดพาหะ

เมื่อเลเซอร์ทำงาน รอยต่อ PN จะถูกไบอัสไปข้างหน้า โดยบริเวณ P จะเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าบวก และบริเวณ N จะเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าลบ การกระทำดังกล่าวจะยกเลิกสนามไฟฟ้าภายใน ทำให้สามารถฉีดอิเล็กตรอนและโฮลเข้าไปในบริเวณแอ็คทีฟที่รอยต่อได้ ซึ่งอิเล็กตรอนและโฮลมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันอีกครั้ง

(2) การปล่อยแสง: แหล่งกำเนิดของการปล่อยแสงกระตุ้น

ในบริเวณที่ใช้งาน อิเล็กตรอนและโฮลที่ฉีดเข้าไปจะรวมตัวกันอีกครั้งและปลดปล่อยโฟตอน ในตอนแรก กระบวนการนี้คือการปลดปล่อยโดยธรรมชาติ แต่เมื่อความหนาแน่นของโฟตอนเพิ่มขึ้น โฟตอนสามารถกระตุ้นให้เกิดการรวมตัวกันอีกครั้งของอิเล็กตรอนและโฮล โดยปลดปล่อยโฟตอนเพิ่มเติมที่มีเฟส ทิศทาง และพลังงานเท่ากัน ซึ่งเรียกว่าการปลดปล่อยแบบกระตุ้น

กระบวนการนี้สร้างรากฐานของเลเซอร์ (การขยายแสงโดยการกระตุ้นการปล่อยรังสี)

(3) การขยายและการเกิดโพรงเรโซแนนซ์จากเอาต์พุตของเลเซอร์

เพื่อขยายการปล่อยแสงกระตุ้น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จะมีโพรงเรโซแนนซ์ทั้งสองด้านของรอยต่อ PN ตัวอย่างเช่น ในเลเซอร์ที่ปล่อยแสงแบบขอบ สามารถทำได้โดยใช้ตัวสะท้อนแสงแบบกระจาย (Distributed Bragg Reflector หรือ DBR) หรือการเคลือบกระจกเพื่อสะท้อนแสงไปมา การตั้งค่านี้ช่วยให้ขยายความยาวคลื่นแสงเฉพาะได้ ซึ่งส่งผลให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความสอดคล้องและมีทิศทางสูงในที่สุด

3. โครงสร้าง PN Junction และการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ

โครงสร้าง PN อาจแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับประเภทของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์:

เฮเทอโรจันก์ชั่นเดี่ยว (SH):
บริเวณ P บริเวณ N และบริเวณที่ใช้งานทำจากวัสดุชนิดเดียวกัน บริเวณการรวมตัวใหม่นั้นกว้างและมีประสิทธิภาพน้อยกว่า

รอยต่อแบบสองจุด (DH):
ชั้นแบนด์แก็ปแอคทีฟที่แคบกว่าจะถูกประกบไว้ระหว่างบริเวณ P และ N ซึ่งจะจำกัดทั้งตัวพาและโฟตอน ทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมาก

โครงสร้างควอนตัมเวลล์:
ใช้ชั้นแอ็คทีฟบางเฉียบเพื่อสร้างเอฟเฟกต์การจำกัดควอนตัม ปรับปรุงลักษณะของขีดจำกัดและความเร็วการปรับ

โครงสร้างเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการฉีดพาหะ การรวมตัวใหม่ และการปล่อยแสงในบริเวณรอยต่อ PN

4. บทสรุป

รอยต่อ PN ถือเป็น "หัวใจ" ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อย่างแท้จริง ความสามารถในการฉีดพาหะภายใต้ไบอัสไปข้างหน้าถือเป็นปัจจัยพื้นฐานสำหรับการสร้างเลเซอร์ ตั้งแต่การออกแบบโครงสร้างและการเลือกวัสดุไปจนถึงการควบคุมโฟตอน ประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์เลเซอร์ทั้งหมดขึ้นอยู่กับการปรับให้รอยต่อ PN เหมาะสมที่สุด

ในขณะที่เทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์ยังคงก้าวหน้าต่อไป ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับฟิสิกส์ของรอยต่อ PN ไม่เพียงแค่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์เท่านั้น แต่ยังวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไปที่มีกำลังสูง ความเร็วสูง และต้นทุนต่ำอีกด้วย