ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಹೃದಯ: ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್ ಅನ್ನು ಅರ್ಥಮಾಡಿಕೊಳ್ಳುವುದು

ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನದ ತ್ವರಿತ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಯೊಂದಿಗೆ, ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳು ಸಂವಹನ, ವೈದ್ಯಕೀಯ ಉಪಕರಣಗಳು, ಲೇಸರ್ ಶ್ರೇಣಿ, ಕೈಗಾರಿಕಾ ಸಂಸ್ಕರಣೆ ಮತ್ತು ಗ್ರಾಹಕ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್‌ನಂತಹ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾದ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳನ್ನು ಕಂಡುಕೊಂಡಿವೆ. ಈ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನದ ಮೂಲದಲ್ಲಿ ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್ ಇದೆ, ಇದು ಬೆಳಕಿನ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯ ಮೂಲವಾಗಿ ಮಾತ್ರವಲ್ಲದೆ ಸಾಧನದ ಕಾರ್ಯಾಚರಣೆಯ ಅಡಿಪಾಯವಾಗಿಯೂ ಪ್ರಮುಖ ಪಾತ್ರವನ್ನು ವಹಿಸುತ್ತದೆ. ಈ ಲೇಖನವು ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್‌ನ ರಚನೆ, ತತ್ವಗಳು ಮತ್ತು ಪ್ರಮುಖ ಕಾರ್ಯಗಳ ಸ್ಪಷ್ಟ ಮತ್ತು ಸಂಕ್ಷಿಪ್ತ ಅವಲೋಕನವನ್ನು ಒದಗಿಸುತ್ತದೆ.

1. ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್ ಎಂದರೇನು?

PN ಜಂಕ್ಷನ್ ಎಂದರೆ P-ಮಾದರಿಯ ಅರೆವಾಹಕ ಮತ್ತು N-ಮಾದರಿಯ ಅರೆವಾಹಕದ ನಡುವೆ ರೂಪುಗೊಂಡ ಇಂಟರ್ಫೇಸ್:

ಪಿ-ಮಾದರಿಯ ಅರೆವಾಹಕವನ್ನು ಬೋರಾನ್ (B) ನಂತಹ ಸ್ವೀಕಾರಕ ಕಲ್ಮಶಗಳಿಂದ ಡೋಪ್ ಮಾಡಲಾಗುತ್ತದೆ, ಇದು ರಂಧ್ರಗಳನ್ನು ಬಹುಪಾಲು ಚಾರ್ಜ್ ವಾಹಕಗಳನ್ನಾಗಿ ಮಾಡುತ್ತದೆ.

N-ಮಾದರಿಯ ಅರೆವಾಹಕವನ್ನು ಫಾಸ್ಫರಸ್ (P) ನಂತಹ ದಾನಿ ಕಲ್ಮಶಗಳಿಂದ ಡೋಪ್ ಮಾಡಲಾಗುತ್ತದೆ, ಇದು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳನ್ನು ಬಹುಪಾಲು ವಾಹಕಗಳನ್ನಾಗಿ ಮಾಡುತ್ತದೆ.

ಪಿ-ಮಾದರಿ ಮತ್ತು ಎನ್-ಮಾದರಿಯ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ಸಂಪರ್ಕಕ್ಕೆ ತಂದಾಗ, ಎನ್-ಪ್ರದೇಶದಿಂದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಪಿ-ಪ್ರದೇಶಕ್ಕೆ ಹರಡುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಪಿ-ಪ್ರದೇಶದಿಂದ ರಂಧ್ರಗಳು ಎನ್-ಪ್ರದೇಶಕ್ಕೆ ಹರಡುತ್ತವೆ. ಈ ಪ್ರಸರಣವು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ರಂಧ್ರಗಳು ಮತ್ತೆ ಸೇರುವ ಸವಕಳಿ ಪ್ರದೇಶವನ್ನು ಸೃಷ್ಟಿಸುತ್ತದೆ, ಇದು ಚಾರ್ಜ್ಡ್ ಅಯಾನುಗಳನ್ನು ಬಿಟ್ಟು ಆಂತರಿಕ ವಿದ್ಯುತ್ ಕ್ಷೇತ್ರವನ್ನು ಸೃಷ್ಟಿಸುತ್ತದೆ, ಇದನ್ನು ಅಂತರ್ನಿರ್ಮಿತ ಸಂಭಾವ್ಯ ತಡೆಗೋಡೆ ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ.

2. ಲೇಸರ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್‌ನ ಪಾತ್ರ

(1) ವಾಹಕ ಇಂಜೆಕ್ಷನ್

ಲೇಸರ್ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸಿದಾಗ, PN ಜಂಕ್ಷನ್ ಮುಂದಕ್ಕೆ ಪಕ್ಷಪಾತವಾಗಿರುತ್ತದೆ: P-ಪ್ರದೇಶವು ಧನಾತ್ಮಕ ವೋಲ್ಟೇಜ್‌ಗೆ ಮತ್ತು N-ಪ್ರದೇಶವು ಋಣಾತ್ಮಕ ವೋಲ್ಟೇಜ್‌ಗೆ ಸಂಪರ್ಕ ಹೊಂದಿದೆ. ಇದು ಆಂತರಿಕ ವಿದ್ಯುತ್ ಕ್ಷೇತ್ರವನ್ನು ರದ್ದುಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ರಂಧ್ರಗಳನ್ನು ಜಂಕ್ಷನ್‌ನಲ್ಲಿರುವ ಸಕ್ರಿಯ ಪ್ರದೇಶಕ್ಕೆ ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡಲು ಅನುವು ಮಾಡಿಕೊಡುತ್ತದೆ, ಅಲ್ಲಿ ಅವು ಮತ್ತೆ ಸೇರುವ ಸಾಧ್ಯತೆಯಿದೆ.

(2) ಬೆಳಕಿನ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆ: ಪ್ರಚೋದಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯ ಮೂಲ

ಸಕ್ರಿಯ ಪ್ರದೇಶದಲ್ಲಿ, ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡಿದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ರಂಧ್ರಗಳು ಮತ್ತೆ ಸೇರುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಫೋಟಾನ್‌ಗಳನ್ನು ಬಿಡುಗಡೆ ಮಾಡುತ್ತವೆ. ಆರಂಭದಲ್ಲಿ, ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಸ್ವಯಂಪ್ರೇರಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯಾಗಿದೆ, ಆದರೆ ಫೋಟಾನ್ ಸಾಂದ್ರತೆ ಹೆಚ್ಚಾದಂತೆ, ಫೋಟಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತಷ್ಟು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಮರುಸಂಯೋಜನೆಯನ್ನು ಉತ್ತೇಜಿಸಬಹುದು, ಅದೇ ಹಂತ, ದಿಕ್ಕು ಮತ್ತು ಶಕ್ತಿಯೊಂದಿಗೆ ಹೆಚ್ಚುವರಿ ಫೋಟಾನ್‌ಗಳನ್ನು ಬಿಡುಗಡೆ ಮಾಡಬಹುದು - ಇದು ಪ್ರಚೋದಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆ.

ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಲೇಸರ್ (ಉತ್ತೇಜಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯಿಂದ ಬೆಳಕಿನ ವರ್ಧನೆ) ಯ ಅಡಿಪಾಯವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ.

(3) ಗೇನ್ ಮತ್ತು ರೆಸೋನಂಟ್ ಕ್ಯಾವಿಟಿಗಳು ಲೇಸರ್ ಔಟ್‌ಪುಟ್ ಅನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ

ಪ್ರಚೋದಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯನ್ನು ವರ್ಧಿಸಲು, ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳು PN ಜಂಕ್ಷನ್‌ನ ಎರಡೂ ಬದಿಗಳಲ್ಲಿ ಅನುರಣನ ಕುಳಿಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತವೆ. ಉದಾಹರಣೆಗೆ, ಅಂಚಿನ-ಹೊರಸೂಸುವ ಲೇಸರ್‌ಗಳಲ್ಲಿ, ಡಿಸ್ಟ್ರಿಬ್ಯೂಟೆಡ್ ಬ್ರಾಗ್ ರಿಫ್ಲೆಕ್ಟರ್‌ಗಳು (DBR ಗಳು) ಅಥವಾ ಬೆಳಕನ್ನು ಹಿಂದಕ್ಕೆ ಮತ್ತು ಮುಂದಕ್ಕೆ ಪ್ರತಿಫಲಿಸಲು ಕನ್ನಡಿ ಲೇಪನಗಳನ್ನು ಬಳಸಿಕೊಂಡು ಇದನ್ನು ಸಾಧಿಸಬಹುದು. ಈ ಸೆಟಪ್ ಬೆಳಕಿನ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ತರಂಗಾಂತರಗಳನ್ನು ವರ್ಧಿಸಲು ಅನುವು ಮಾಡಿಕೊಡುತ್ತದೆ, ಇದು ಅಂತಿಮವಾಗಿ ಹೆಚ್ಚು ಸುಸಂಬದ್ಧ ಮತ್ತು ದಿಕ್ಕಿನ ಲೇಸರ್ ಔಟ್‌ಪುಟ್‌ಗೆ ಕಾರಣವಾಗುತ್ತದೆ.

3. ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್ ರಚನೆಗಳು ಮತ್ತು ವಿನ್ಯಾಸ ಆಪ್ಟಿಮೈಸೇಶನ್

ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್ ಪ್ರಕಾರವನ್ನು ಅವಲಂಬಿಸಿ, ಪಿಎನ್ ರಚನೆಯು ಬದಲಾಗಬಹುದು:

ಏಕ ಹೆಟೆರೊಜಂಕ್ಷನ್ (SH):
P-ಪ್ರದೇಶ, N-ಪ್ರದೇಶ ಮತ್ತು ಸಕ್ರಿಯ ಪ್ರದೇಶಗಳು ಒಂದೇ ವಸ್ತುವಿನಿಂದ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟಿವೆ. ಪುನಃಸಂಯೋಜನೆಯ ಪ್ರದೇಶವು ವಿಶಾಲವಾಗಿದೆ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ಪರಿಣಾಮಕಾರಿಯಾಗಿದೆ.

ಡಬಲ್ ಹೆಟೆರೊಜಂಕ್ಷನ್ (DH):
P- ಮತ್ತು N-ಪ್ರದೇಶಗಳ ನಡುವೆ ಕಿರಿದಾದ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಸಕ್ರಿಯ ಪದರವನ್ನು ಸ್ಯಾಂಡ್‌ವಿಚ್ ಮಾಡಲಾಗಿದೆ. ಇದು ವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು ಫೋಟಾನ್‌ಗಳೆರಡನ್ನೂ ಸೀಮಿತಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ, ದಕ್ಷತೆಯನ್ನು ಗಮನಾರ್ಹವಾಗಿ ಸುಧಾರಿಸುತ್ತದೆ.

ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿ ರಚನೆ:
ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಂಧನ ಪರಿಣಾಮಗಳನ್ನು ರಚಿಸಲು, ಮಿತಿ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು ಮತ್ತು ಮಾಡ್ಯುಲೇಷನ್ ವೇಗವನ್ನು ಸುಧಾರಿಸಲು ಅತಿ ತೆಳುವಾದ ಸಕ್ರಿಯ ಪದರವನ್ನು ಬಳಸುತ್ತದೆ.

ಈ ಎಲ್ಲಾ ರಚನೆಗಳು ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್ ಪ್ರದೇಶದಲ್ಲಿ ವಾಹಕ ಇಂಜೆಕ್ಷನ್, ಮರುಸಂಯೋಜನೆ ಮತ್ತು ಬೆಳಕಿನ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯ ದಕ್ಷತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲಾಗಿದೆ.

4. ತೀರ್ಮಾನ

PN ಜಂಕ್ಷನ್ ನಿಜವಾಗಿಯೂ ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ನ "ಹೃದಯ"ವಾಗಿದೆ. ಫಾರ್ವರ್ಡ್ ಬಯಾಸ್ ಅಡಿಯಲ್ಲಿ ವಾಹಕಗಳನ್ನು ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡುವ ಅದರ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವು ಲೇಸರ್ ಉತ್ಪಾದನೆಗೆ ಮೂಲಭೂತ ಪ್ರಚೋದಕವಾಗಿದೆ. ರಚನಾತ್ಮಕ ವಿನ್ಯಾಸ ಮತ್ತು ವಸ್ತು ಆಯ್ಕೆಯಿಂದ ಫೋಟಾನ್ ನಿಯಂತ್ರಣದವರೆಗೆ, ಸಂಪೂರ್ಣ ಲೇಸರ್ ಸಾಧನದ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯು PN ಜಂಕ್ಷನ್ ಅನ್ನು ಅತ್ಯುತ್ತಮವಾಗಿಸುವುದರ ಸುತ್ತ ಸುತ್ತುತ್ತದೆ.

ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳು ಮುಂದುವರೆದಂತೆ, ಪಿಎನ್ ಜಂಕ್ಷನ್ ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರದ ಆಳವಾದ ತಿಳುವಳಿಕೆಯು ಲೇಸರ್ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುವುದಲ್ಲದೆ, ಮುಂದಿನ ಪೀಳಿಗೆಯ ಹೈ-ಪವರ್, ಹೈ-ಸ್ಪೀಡ್ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ-ವೆಚ್ಚದ ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಗೆ ಘನ ಅಡಿಪಾಯವನ್ನು ಹಾಕುತ್ತದೆ.