सेमीकंडक्टर लेज़रों का मूल तत्व: पीएन जंक्शन को समझना

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के तीव्र विकास के साथ, सेमीकंडक्टर लेज़रों का संचार, चिकित्सा उपकरण, लेज़र रेंजिंग, औद्योगिक प्रसंस्करण और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग हो गया है। इस प्रौद्योगिकी के मूल में पीएन जंक्शन है, जो न केवल प्रकाश उत्सर्जन के स्रोत के रूप में बल्कि उपकरण के संचालन के आधार के रूप में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह लेख सेमीकंडक्टर लेज़रों में पीएन जंक्शन की संरचना, सिद्धांतों और प्रमुख कार्यों का स्पष्ट और संक्षिप्त अवलोकन प्रदान करता है।

1. पीएन जंक्शन क्या है?

पीएन जंक्शन पी-टाइप सेमीकंडक्टर और एन-टाइप सेमीकंडक्टर के बीच बनने वाला इंटरफ़ेस है:

पी-टाइप सेमीकंडक्टर को बोरॉन (बी) जैसी स्वीकर्ता अशुद्धियों के साथ डोप किया जाता है, जिससे छिद्र बहुसंख्यक आवेश वाहक बन जाते हैं।

एन-टाइप सेमीकंडक्टर को फॉस्फोरस (पी) जैसी दाता अशुद्धियों के साथ डोप किया जाता है, जिससे इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक वाहक बन जाते हैं।

जब पी-टाइप और एन-टाइप पदार्थों को संपर्क में लाया जाता है, तो एन-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन पी-क्षेत्र में फैल जाते हैं, और पी-क्षेत्र से होल एन-क्षेत्र में फैल जाते हैं। इस प्रसार से एक रिक्तीकरण क्षेत्र बनता है जहाँ इलेक्ट्रॉन और होल पुनर्संयोजित होते हैं, जिससे आवेशित आयन पीछे रह जाते हैं जो एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं, जिसे अंतर्निर्मित विभव अवरोध कहा जाता है।

2. लेज़रों में पीएन जंक्शन की भूमिका

(1) वाहक इंजेक्शन

जब लेज़र काम करता है, तो PN जंक्शन आगे की ओर झुका होता है: P क्षेत्र धनात्मक वोल्टेज से और N क्षेत्र ऋणात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है। इससे आंतरिक विद्युत क्षेत्र निष्क्रिय हो जाता है, जिससे इलेक्ट्रॉन और होल जंक्शन पर सक्रिय क्षेत्र में प्रवेश कर पाते हैं, जहाँ उनके पुनर्संयोजन की संभावना होती है।

(2) प्रकाश उत्सर्जन: प्रेरित उत्सर्जन की उत्पत्ति

सक्रिय क्षेत्र में, इंजेक्ट किए गए इलेक्ट्रॉन और होल पुनर्संयोजित होकर फोटॉन उत्सर्जित करते हैं। प्रारंभ में, यह प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन कहलाती है, लेकिन जैसे-जैसे फोटॉन घनत्व बढ़ता है, फोटॉन इलेक्ट्रॉन-होल पुनर्संयोजन को और उत्तेजित कर सकते हैं, जिससे समान अवस्था, दिशा और ऊर्जा वाले अतिरिक्त फोटॉन उत्सर्जित होते हैं—यह उत्तेजित उत्सर्जन कहलाता है।

यह प्रक्रिया लेजर (विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) का आधार बनती है।

(3) लाभ और अनुनादी गुहाएँ लेजर आउटपुट बनाती हैं

उत्तेजित उत्सर्जन को बढ़ाने के लिए, अर्धचालक लेज़रों में पीएन जंक्शन के दोनों ओर अनुनादी गुहाएँ होती हैं। उदाहरण के लिए, एज-एमिटिंग लेज़रों में, प्रकाश को आगे-पीछे परावर्तित करने के लिए डिस्ट्रीब्यूटेड ब्रैग रिफ्लेक्टर (डीबीआर) या दर्पण कोटिंग का उपयोग किया जा सकता है। यह सेटअप प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को प्रवर्धित करने की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः अत्यधिक सुसंगत और दिशात्मक लेज़र आउटपुट प्राप्त होता है।

3. पीएन जंक्शन संरचनाएं और डिजाइन अनुकूलन

सेमीकंडक्टर लेजर के प्रकार के आधार पर, पीएन संरचना भिन्न हो सकती है:

एकल हेटरोजंक्शन (एसएच):
पी-क्षेत्र, एन-क्षेत्र और सक्रिय क्षेत्र एक ही पदार्थ से बने होते हैं। पुनर्संयोजन क्षेत्र व्यापक और कम प्रभावी होता है।

डबल हेटरोजंक्शन (डीएच):
पी- और एन-क्षेत्रों के बीच एक संकीर्ण बैंडगैप वाली सक्रिय परत लगाई गई है। इससे वाहक और फोटॉन दोनों सीमित हो जाते हैं, जिससे दक्षता में काफी सुधार होता है।

क्वांटम वेल संरचना:
यह क्वांटम परिरोधन प्रभाव पैदा करने के लिए एक अति-पतली सक्रिय परत का उपयोग करता है, जिससे थ्रेशोल्ड विशेषताओं और मॉड्यूलेशन गति में सुधार होता है।

इन सभी संरचनाओं को पीएन जंक्शन क्षेत्र में वाहक इंजेक्शन, पुनर्संयोजन और प्रकाश उत्सर्जन की दक्षता बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

4. निष्कर्ष

पीएन जंक्शन वास्तव में एक सेमीकंडक्टर लेजर का "हृदय" है। फॉरवर्ड बायस के तहत वाहकों को इंजेक्ट करने की इसकी क्षमता ही लेजर उत्पादन का मूल कारक है। संरचनात्मक डिजाइन और सामग्री चयन से लेकर फोटॉन नियंत्रण तक, संपूर्ण लेजर उपकरण का प्रदर्शन पीएन जंक्शन के अनुकूलन पर निर्भर करता है।

जैसे-जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियां आगे बढ़ रही हैं, पीएन जंक्शन भौतिकी की गहरी समझ न केवल लेजर के प्रदर्शन को बढ़ाती है, बल्कि अगली पीढ़ी के उच्च-शक्ति, उच्च-गति और कम लागत वाले सेमीकंडक्टर लेजर के विकास के लिए एक ठोस आधार भी तैयार करती है।