9.12 Полупроводниковые лазеры. Рис. 9.11 Общие сведения. В полупроводниковых лазерах используется инверсия населённостей, получаемая в полупроводниках с одним или с различными типами проводимости (p-n-переход). Идеальным было бы состояние (рис. 9.11), когда верхние уровни в области 2 полностью была бы заполнены электронами проводимости, а нижние в области 1 полностью свободны от валентных электронов, т.е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсия населённости была бы наибольшей. Формально полупроводник, в котором большинство уровней в области 2 зоны проводимости занято электронами, а в области 1 валентной зоны – дырками, можно назвать вырожденным одновременно для электронов и дырок, в то время как обычно удаётся создать либо электронные, либо дырочные вырожденные полупроводники. Предположим, что в такой полупроводник попадает фотон с энергией hv, большей ширины запрещённой зоны D x , соответствующей границам областей 2 и 1, заполненных электронами и дырками: D x 0< hv < D x . (9.12) При этом условии будут происходить вынужденные переходы из области 2 в область 1 с испусканием новых фотонов. Если энергия падающего фотона hv> D x , то начнётся поглощение квантов и возникнут переходы из области 3 валентной зоны, где есть валентные электроны, на свободные уровни области 4 зоны проводимости. В вырожденном электронном полупроводнике верхняя граница заполненной электронами области 2 в зоне проводимости приблизительно совпадает с уровнем Ферми для электронов x Fт, а в вырожденном дырочном нижняя граница заполненной дырками области 1 в валентной зоне – с уровнем Ферми для дырок x Fp. Поэтому D x = x F n- x Fp (9.13) и условие (11.12) дла получения вынужденного излучения запишем D x 0< hv< ( x Fn- x Fp) . Вынужденное излучение будет появляться при воздействии фотонов с энергией, заключенной в пределах hvmin=D x 0 до hvmax=D x =x Fn-x Fp. Такие фотоны всегда есть в полупроводнике вследствие процесса рекомбинации электронов и дырок. Рекомбинационное излучение имеет спонтанный характер, т. е. фотоны распределены хаотически по времени, направлению и поляризации. “Спонтанные” фотоны вызывают вынужденное излучение, однако для получения самовозбуждения необходимо обеспечить многократное прохождение излучения через среду с инверсией населенности. Достигается это созданием отражающих поверхностей на торцах полупроводника. В полупроводниковых лазерах можно получить очень большие инверсию населенностей и усиление на единицу длины вследствие высокой концентрации частиц в твердом теле. Поэтому длину образца полупроводника можно уменьшить до долей миллиметра, а требования к коэффициенту отражения зеркал снизить. В полупроводниках возможны следующие методы получения инверсии населенностей: инжекция носителей через p-n переход (инжекционные лазеры), электронная накачка и оптическая накачка. Наибольшее распространение получил метод инжекции носителей. назад | оглавление | вперёд