सेमीकंडक्टर लेजर का हृदय: पीएन जंक्शन को समझना

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक के तेजी से विकास के साथ, सेमीकंडक्टर लेजर ने संचार, चिकित्सा उपकरण, लेजर रेंजिंग, औद्योगिक प्रसंस्करण और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग पाए हैं। इस तकनीक के मूल में PN जंक्शन है, जो न केवल प्रकाश उत्सर्जन के स्रोत के रूप में बल्कि डिवाइस के संचालन की नींव के रूप में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह लेख सेमीकंडक्टर लेजर में PN जंक्शन की संरचना, सिद्धांतों और प्रमुख कार्यों का एक स्पष्ट और संक्षिप्त अवलोकन प्रदान करता है।

1. पीएन जंक्शन क्या है?

पीएन जंक्शन एक पी-प्रकार अर्धचालक और एक एन-प्रकार अर्धचालक के बीच निर्मित इंटरफेस है:

पी-प्रकार अर्धचालक को ग्राही अशुद्धियों, जैसे बोरोन (बी) के साथ डोप किया जाता है, जिससे छिद्र बहुसंख्यक आवेश वाहक बन जाते हैं।

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

जब P-प्रकार और N-प्रकार की सामग्रियों को संपर्क में लाया जाता है, तो N-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन P-क्षेत्र में फैल जाते हैं, और P-क्षेत्र से छिद्र N-क्षेत्र में फैल जाते हैं। यह प्रसार एक कमी क्षेत्र बनाता है जहाँ इलेक्ट्रॉन और छिद्र पुनः संयोजित होते हैं, जिससे आवेशित आयन पीछे रह जाते हैं जो एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं, जिसे अंतर्निहित संभावित अवरोध के रूप में जाना जाता है।

2. लेज़र में पीएन जंक्शन की भूमिका

(1) वाहक इंजेक्शन

जब लेज़र काम करता है, तो PN जंक्शन आगे की ओर बायस्ड होता है: P-क्षेत्र एक सकारात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है, और N-क्षेत्र एक नकारात्मक वोल्टेज से। यह आंतरिक विद्युत क्षेत्र को रद्द कर देता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को जंक्शन पर सक्रिय क्षेत्र में इंजेक्ट किया जा सकता है, जहाँ उनके पुनर्संयोजन की संभावना होती है।

(2) प्रकाश उत्सर्जन: उत्तेजित उत्सर्जन की उत्पत्ति

सक्रिय क्षेत्र में, इंजेक्ट किए गए इलेक्ट्रॉन और छिद्र पुनः संयोजित होते हैं और फोटॉन छोड़ते हैं। शुरू में, यह प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन होती है, लेकिन जैसे-जैसे फोटॉन घनत्व बढ़ता है, फोटॉन आगे इलेक्ट्रॉन-छिद्र पुनर्संयोजन को उत्तेजित कर सकते हैं, जिससे समान चरण, दिशा और ऊर्जा वाले अतिरिक्त फोटॉन निकलते हैं - इसे उत्तेजित उत्सर्जन कहा जाता है।

यह प्रक्रिया लेज़र (विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) का आधार तैयार करती है।

(3) लाभ और अनुनाद गुहाएं लेजर आउटपुट बनाती हैं

उत्तेजित उत्सर्जन को बढ़ाने के लिए, सेमीकंडक्टर लेजर में पीएन जंक्शन के दोनों तरफ अनुनाद गुहाएं शामिल होती हैं। उदाहरण के लिए, एज-एमिटिंग लेजर में, इसे वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर (डीबीआर) या मिरर कोटिंग्स का उपयोग करके प्रकाश को आगे और पीछे परावर्तित करने के लिए प्राप्त किया जा सकता है। यह सेटअप प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को बढ़ाने की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः अत्यधिक सुसंगत और दिशात्मक लेजर आउटपुट प्राप्त होता है।

3. पीएन जंक्शन संरचनाएं और डिजाइन अनुकूलन

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

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

डबल हेटेरोजंक्शन (डीएच):
P- और N-क्षेत्रों के बीच एक संकरी बैंडगैप सक्रिय परत सैंडविच की जाती है। यह वाहकों और फोटॉनों दोनों को सीमित करता है, जिससे दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है।

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

ये सभी संरचनाएं पी.एन. जंक्शन क्षेत्र में वाहक इंजेक्शन, पुनर्संयोजन और प्रकाश उत्सर्जन की दक्षता बढ़ाने के लिए डिज़ाइन की गई हैं।

4. निष्कर्ष

पीएन जंक्शन वास्तव में सेमीकंडक्टर लेजर का "दिल" है। फॉरवर्ड बायस के तहत वाहकों को इंजेक्ट करने की इसकी क्षमता लेजर उत्पादन के लिए मौलिक ट्रिगर है। संरचनात्मक डिजाइन और सामग्री चयन से लेकर फोटॉन नियंत्रण तक, पूरे लेजर डिवाइस का प्रदर्शन पीएन जंक्शन को अनुकूलित करने के इर्द-गिर्द घूमता है।

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