सेमीकंडक्टर लेज़रों का हृदय: पीएन जंक्शन को समझना

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक के तेज़ी से विकास के साथ, सेमीकंडक्टर लेज़रों का संचार, चिकित्सा उपकरण, लेज़र रेंजिंग, औद्योगिक प्रसंस्करण और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग पाया गया है। इस तकनीक के मूल में PN 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 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 बना इंटरफ़ेस है:

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

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

जब P-प्रकार और N-प्रकार के पदार्थों को संपर्क में लाया जाता है, तो N-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन P-क्षेत्र में विसरित हो जाते हैं, और P-क्षेत्र से छिद्र N-क्षेत्र में विसरित हो जाते हैं। इस विसरण से एक अवक्षय क्षेत्र बनता है जहाँ इलेक्ट्रॉन और छिद्र पुनः संयोजित होते हैं, और पीछे आवेशित आयन छोड़ते हैं जो एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं, जिसे अंतर्निर्मित विभव अवरोध कहते हैं।

2. लेज़रों में पीएन जंक्शन की भूमिका

(1) वाहक इंजेक्शन

जब लेज़र काम करता है, तो PN जंक्शन आगे की ओर बायस्ड होता है: P-क्षेत्र धनात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है, और N-क्षेत्र ऋणात्मक वोल्टेज से। यह आंतरिक विद्युत क्षेत्र को निरस्त कर देता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को जंक्शन के सक्रिय क्षेत्र में प्रविष्ट कराया जा सकता है, जहाँ उनके पुनर्संयोजन की संभावना होती है।

(2) प्रकाश उत्सर्जन: उत्तेजित उत्सर्जन की उत्पत्ति

सक्रिय क्षेत्र में, अंतःक्षिप्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र पुनर्संयोजित होकर फोटॉन मुक्त करते हैं। प्रारंभ में, यह प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन होती है, लेकिन जैसे-जैसे फोटॉन घनत्व बढ़ता है, फोटॉन आगे इलेक्ट्रॉन-छिद्र पुनर्संयोजन को प्रेरित कर सकते हैं, जिससे समान कला, दिशा और ऊर्जा वाले अतिरिक्त फोटॉन मुक्त होते हैं—इसे प्रेरित उत्सर्जन कहते हैं।

यह प्रक्रिया लेज़र (विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) की नींव बनाती है।

(3) लाभ और अनुनाद गुहाएं लेजर आउटपुट बनाती हैं

उत्तेजित उत्सर्जन को बढ़ाने के लिए, अर्धचालक लेज़रों में PN जंक्शन के दोनों ओर अनुनाद गुहाएँ होती हैं। उदाहरण के लिए, एज-एमिटिंग लेज़रों में, प्रकाश को आगे-पीछे परावर्तित करने के लिए वितरित ब्रैग रिफ्लेक्टर (DBR) या दर्पण कोटिंग्स का उपयोग करके इसे प्राप्त किया जा सकता है। यह व्यवस्था प्रकाश की विशिष्ट तरंगदैर्ध्य को बढ़ाने की अनुमति देती है, जिसके परिणामस्वरूप अत्यधिक सुसंगत और दिशात्मक लेज़र 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):
P-क्षेत्र, N-क्षेत्र और सक्रिय क्षेत्र एक ही पदार्थ से बने होते हैं। पुनर्संयोजन क्षेत्र विस्तृत और कम कुशल होता है।

डबल हेटेरोजंक्शन (डीएच):
P- और N-क्षेत्रों के बीच एक संकरी बैंडगैप सक्रिय परत होती है। यह वाहकों और फोटॉनों, दोनों को सीमित रखती 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 अर्धचालक लेज़र का "हृदय" है। अग्रगामी अभिनति के तहत वाहकों को प्रक्षेपित करने की इसकी क्षमता लेज़र उत्पादन के लिए मूलभूत उत्प्रेरक है। संरचनात्मक डिज़ाइन और सामग्री चयन से लेकर फोटॉन नियंत्रण तक, संपूर्ण लेज़र उपकरण का प्रदर्शन पीएन जंक्शन के अनुकूलन पर केंद्रित होता 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 अर्धचालक लेजर के विकास के लिए एक ठोस आधार भी तैयार करती है।