સેમિકન્ડક્ટર લેસરનું હૃદય: પીએન જંકશનને સમજવું

ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ટેકનોલોજીના ઝડપી વિકાસ સાથે, સેમિકન્ડક્ટર લેસરોનો ઉપયોગ સંદેશાવ્યવહાર, તબીબી ઉપકરણો, લેસર રેન્જિંગ, ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયા અને ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ જેવા ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે થાય છે. આ ટેકનોલોજીના મૂળમાં PN જંકશન રહેલું છે, જે મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે - ફક્ત પ્રકાશ ઉત્સર્જનના સ્ત્રોત તરીકે જ નહીં પરંતુ ઉપકરણના સંચાલનના પાયા તરીકે પણ. આ લેખ સેમિકન્ડક્ટર લેસરોમાં PN જંકશનની રચના, સિદ્ધાંતો અને મુખ્ય કાર્યોની સ્પષ્ટ અને સંક્ષિપ્ત ઝાંખી પ્રદાન કરે છે.

1. પીએન જંકશન શું છે?

PN જંકશન એ P-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર અને N-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચે રચાયેલ ઇન્ટરફેસ છે:

પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર સ્વીકારનાર અશુદ્ધિઓ, જેમ કે બોરોન (B) થી ભરેલું હોય છે, જે મોટાભાગના ચાર્જ કેરિયર્સમાં છિદ્રો બનાવે છે.

N-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરમાં ફોસ્ફરસ (P) જેવી દાતા અશુદ્ધિઓનો સમાવેશ થાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોનને મોટાભાગના વાહકો બનાવે છે.

જ્યારે P-પ્રકાર અને N-પ્રકારના પદાર્થો સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે N-પ્રદેશમાંથી ઇલેક્ટ્રોન P-પ્રદેશમાં ફેલાય છે, અને P-પ્રદેશમાંથી છિદ્રો N-પ્રદેશમાં ફેલાય છે. આ પ્રસરણ એક અવક્ષય ક્ષેત્ર બનાવે છે જ્યાં ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ફરીથી જોડાય છે, ચાર્જ્ડ આયનો પાછળ છોડી દે છે જે આંતરિક વિદ્યુત ક્ષેત્ર બનાવે છે, જેને બિલ્ટ-ઇન પોટેન્શિયલ બેરિયર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

2. લેસરમાં PN જંકશનની ભૂમિકા

(૧) કેરિયર ઇન્જેક્શન

જ્યારે લેસર કાર્ય કરે છે, ત્યારે PN જંકશન આગળ તરફી હોય છે: P-પ્રદેશ પોઝિટિવ વોલ્ટેજ સાથે જોડાયેલ હોય છે, અને N-પ્રદેશ ઋણ વોલ્ટેજ સાથે. આ આંતરિક વિદ્યુત ક્ષેત્રને રદ કરે છે, જેનાથી ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોને જંકશન પર સક્રિય પ્રદેશમાં ઇન્જેક્ટ કરવાની મંજૂરી મળે છે, જ્યાં તેઓ ફરીથી જોડાય તેવી શક્યતા હોય છે.

(2) પ્રકાશ ઉત્સર્જન: ઉત્તેજિત ઉત્સર્જનનું મૂળ

સક્રિય પ્રદેશમાં, ઇન્જેક્ટેડ ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ફરીથી જોડાય છે અને ફોટોન મુક્ત કરે છે. શરૂઆતમાં, આ પ્રક્રિયા સ્વયંભૂ ઉત્સર્જન છે, પરંતુ જેમ જેમ ફોટોન ઘનતા વધે છે, ફોટોન વધુ ઇલેક્ટ્રોન-છિદ્ર પુનઃસંયોજનને ઉત્તેજીત કરી શકે છે, સમાન તબક્કા, દિશા અને ઊર્જા સાથે વધારાના ફોટોન મુક્ત કરે છે - આ ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન છે.

આ પ્રક્રિયા લેસર (રેડિયેશનના ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન દ્વારા પ્રકાશ પ્રવર્ધન) નો પાયો બનાવે છે.

(૩) ગેઇન અને રેઝોનન્ટ કેવિટીઝ લેસર આઉટપુટ બનાવે છે

ઉત્તેજિત ઉત્સર્જનને વધારવા માટે, સેમિકન્ડક્ટર લેસરોમાં PN જંકશનની બંને બાજુએ રેઝોનન્ટ પોલાણનો સમાવેશ થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, એજ-એમિટિંગ લેસરોમાં, પ્રકાશને આગળ અને પાછળ પ્રતિબિંબિત કરવા માટે ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ બ્રેગ રિફ્લેક્ટર (DBR) અથવા મિરર કોટિંગ્સનો ઉપયોગ કરીને આ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. આ સેટઅપ પ્રકાશની ચોક્કસ તરંગલંબાઇને વિસ્તૃત કરવાની મંજૂરી આપે છે, જેના પરિણામે આખરે ખૂબ સુસંગત અને દિશાત્મક લેસર આઉટપુટ મળે છે.

૩. પીએન જંકશન સ્ટ્રક્ચર્સ અને ડિઝાઇન ઑપ્ટિમાઇઝેશન

સેમિકન્ડક્ટર લેસરના પ્રકાર પર આધાર રાખીને, PN માળખું બદલાઈ શકે છે:

સિંગલ હેટરોજંક્શન (SH):
P-પ્રદેશ, N-પ્રદેશ અને સક્રિય પ્રદેશ સમાન સામગ્રીથી બનેલા છે. પુનઃસંયોજન ક્ષેત્ર પહોળું અને ઓછું કાર્યક્ષમ છે.

ડબલ હેટરોજંક્શન (DH):
P- અને N-પ્રદેશો વચ્ચે એક સાંકડી બેન્ડગેપ સક્રિય સ્તર સેન્ડવીચ કરવામાં આવે છે. આ વાહકો અને ફોટોન બંનેને મર્યાદિત કરે છે, કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે.

ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર:
ક્વોન્ટમ કન્ફાઇનમેન્ટ ઇફેક્ટ્સ બનાવવા માટે, થ્રેશોલ્ડ લાક્ષણિકતાઓ અને મોડ્યુલેશન ગતિમાં સુધારો કરવા માટે અતિ-પાતળા સક્રિય સ્તરનો ઉપયોગ કરે છે.

આ બધી રચનાઓ PN જંકશન ક્ષેત્રમાં વાહક ઇન્જેક્શન, પુનઃસંયોજન અને પ્રકાશ ઉત્સર્જનની કાર્યક્ષમતા વધારવા માટે રચાયેલ છે.

4. નિષ્કર્ષ

પીએન જંકશન ખરેખર સેમિકન્ડક્ટર લેસરનું "હૃદય" છે. ફોરવર્ડ બાયસ હેઠળ કેરિયર્સને ઇન્જેક્ટ કરવાની તેની ક્ષમતા લેસર જનરેશન માટે મૂળભૂત ટ્રિગર છે. માળખાકીય ડિઝાઇન અને સામગ્રી પસંદગીથી લઈને ફોટોન નિયંત્રણ સુધી, સમગ્ર લેસર ઉપકરણનું પ્રદર્શન પીએન જંકશનને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવાની આસપાસ ફરે છે.

જેમ જેમ ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ટેકનોલોજીઓ આગળ વધતી જાય છે, તેમ તેમ પીએન જંકશન ફિઝિક્સની ઊંડી સમજણ માત્ર લેસર કામગીરીમાં વધારો કરતી નથી, પરંતુ ઉચ્ચ-શક્તિ, ઉચ્ચ-ગતિ અને ઓછી કિંમતના સેમિકન્ડક્ટર લેસરોની આગામી પેઢીના વિકાસ માટે મજબૂત પાયો પણ નાખે છે.