Ч. Киттель - Введение в физику твёрдого тела (1127397), страница 119
Текст из файла (страница 119)
Схема первого руоппового лазера с пмп,л' сиым возбуждением. Ллппа рубинового стержня 5 см, впещппй дпамегр 2,5 см. Имеппо ьта схема была псп щзовапз йгейманохг в его оригинальных работах Г40, 41!. К5аРцкуеяарубла /Ымигплглгзй злвнлгрлгг Нана гДЗНЗНЗГ Рис. !8.!Ва. Ооразоваиие фогопа а результате рекочбппзцпп злектроиз и дыпхп, Рпс. 1о.17. Че гырехуровпевая система, аспользуеыая в лазере аз иеод и иовом стекле.
Кдлл ззнзг ле агггЖ~агзги Рпс. 18.18б. Смещеипый иолупроводниковый р — п.переход между р- и и-об. ластами, в которых дырки и электроны вырождеиы. Прь приложении к р — и-переходу напряжения примого смещения возникает рскомбинациоииос излучение. Приложение напряжения прямого смещения приводит к иижекцип иеосиовиых иосителей через переход; в результате возникающей пря этом рекомбинации испускаются фотоны, переходы называются безизлучательиыми переходами. На уровнях 'Е, прежде чем перейти на основной уровень, атом живет 5 10 — ' сек.
Такое большое время жизни (по атомным масштабам) позволяет накапливать атомы на уровнях 'Е. Для работы лазера необходимо, чтобы населенность уровней 'Е превосходила населенность основного уровня. Если в возбужденном состоянии в 1 см' находятся 10" ионов хрома Сг", то полная запасенная в рубине энергия равна 10' эрг/смз. Если вся запасенная энергия превращается в излучение, которое покидает кристалл в виде короткой вспышки, то излучаемая мощность достигает очень большого значения. К сожалению, далеко пе вся запасенная энергия превращается в излучение. К.
и, д. лазера, т. е. отношение выходной энергии излучения к входной электрической энергии, равен приблизителыю 1е(е. Другим распространенным типом твердотельного лазера является четырехуровневый лазер (рис. !8.!7), работающий на неодимовом стекле (вольфрамат кальция с добавкой ионов неодима Мбз'). В четырехуровневой системе для осуществления лазерного эффекта нет необходимости освобождать основное состояние. Полупроводниковые лазеры на р — п-переходе. Вынужденное излучение можно получить па кристалле полупроводника за счет рекомбинации электронов и дырок в области р — и-перехода (рис. 18.18).
Накачка, т. е. создание инверсии населенностей, осуществляется путем приложения к р — п-переходу электрического напряжения. Электромагнитным резонатором является внутренняя часть кристалла полупроводника, поскольку отражательная способность границы кристалл — воздух весьма высока. Две грани кристалла, перпендикулярные к плоскости р — п-перехода, обычно полируют илн тщательно очшцают, Необходимо, чтобы грани были плоскопараллельными; испускаемое излучение распространяется вдоль плоскости р — п-перехода. В кристаллах, имеющих запрещенные зоны с прямыми оптическими переходами (макснмум энергии в валентной зоне и минимум энергии в зопс проводимости соответствуют значению й =- 0), вероятность рекомбинации довольна высока.
Такие кристаллы обычно и используются для изготовления лазеров на р — а-переходе. В кристаллах, имеющих запрещенные зоны с непрямыми оптическими переходами, при рекомбинации наряду с фотонами образуются и фопоны. В этом случае носители рекомбипируют менее интенсивно вследствие конкуренции между переходами двух разных типов. Первым материалом, который был использован для создания лазера на р — и-переходе, был арсенид галлия баЛз '). Он ') Результаты первых экспериментов можно наатн в работах Холла и др. [43), Натана и др. [44), Квиста н др [зб]. 646 излучает в близкой инфракрасной области спектра на длине волны, приблизительно равной 8383 А (1,48 эВ).
Наблюдаемая длина волны зависит от температуры н давления, что используется для «перестройки» частоты излучения лазера. Арсенид галлия имеет запрещенную зону с прямыми оптическими переходами: при й = 0 имеет место максимум энергии в валентной зоне и минимум энергии в зоне проводимости. Лазер на арсе- ниде галлия обладает высоким коэффициентом полезного действия (отношение испущенной световой энергии к затраченной электричеСкой 50п)а). Для создания лазеров на )з — и-переходе используются также фосфид галлия ПаР (). = 0,65 мкм) и антимонид индия 1п55 (Х = 5,3 мкм). ФОТОПРОВОДИМОСТЬ Явление фотопроводимости заключается в возрастании электропроводности диэлектрического кристалла при падении излучения на кристалл.
Первые наиболее обстоятельные исследования в этой области были выполнены Гудденом, Полем и Роузом. Явление фотопроводимости имеет большое практическое значение для телевидения, регистрации инфракрасного излучения, фотометрии и непосредственно в фотографических процессах. Прямым эффектом освещения кристалла является возрастание числа подвижных носителей заряда в кристалле Если энергия ппдакь щих фотонов больше ширины запрещенной зоны Ея, то каждый фотон, поглощенный кристаллом, будет создавать пару электрон — дырка. Иначе говоря, фотон поглощается за счет перехода электрона в зону проводимости из валентной зоны, где он вначале находился.
При этих обстоятельствах как дырка в валентной зоне, так и электрон в зоне проводимости могут давать вклад в проводимость. В конечном итоге электрон и дырка подвергнутся рекомбинации, однако до акта рекомбинации их «судьба» может быть совершенно различной, так как время, затраченное нми на пребывание в захваченном состоянии у дефектов кристалла и примссных атомов, может быть различным '). Поскольку роль ловушек по отношению к этим двум типам носителей тока может быть различной, нельзя ожидать, что дырки н электроны дадут сравнимый вклад в фотопроводимость образца.
Понятие ловушек очень важно для понимания явления фото- проводимости в кристалле. В настоящее время механизм атомных процессов, происходящих в ловушках, выяснен далеко не полностью, однако ясно, что мы не сможем многого понять ') Известны кристаллы (таиие, например, как АдВг и АпС1), в которых дырка захватывается сразу же после образования электронно-дырочной пары. Предполагается, что дырка может быть захвачена каким-нибудь ионом гало- гена; прн этом образуется устойчивый Рх-псктр (см.
гл. 19). б47 в фотопроводимости, если не будем принимать во внимание наличие ловушек. Их роль рассматривается в следующем разде..е. Если энергия падаюших фотонов меньше той пороговой, прп которой начинается образование пар электрон — дырка, то этп фотоны могут тем не менее нонизовать примесиые атомы (доноры и акцспторы) и, таким образом, создавать в зависимости от природы примеси либо подвижные электроны, либо дырки. Рассмотрим сначала пвйзстейшуго модель фотопроводящего кристалла. Такая модель если и описывает какие-.тибо рсальные кристаллы, то очень немногие, однако недостатки нашив предсказаний, основанных на этой модели, позволят выяснить пути ес усовершенствования, Согласно этой модели (рис. 18.!9) предполагается, что под действием какого-либо внешнего источника света образуюшггеся в кристалле пары электрон — дырка равномерно распределены по его объему.
Предполагается также, что рекомбннацня происходит путем прямой аннигиляции элсктронов с дырками. Мы также исходим из того, что электроны, покидаюцгие кристалл через один из электродов, сразу заменяются электронами, поступаюшимн в кристалл с другого, противоположного электрода. И, наконец, будем для удобства предполагать, что подвижность дырок пренебрежимо мала по сравненшо с подвижностью электронов. Заметим попутно, что для многих фотопроводящих веществ подвижность дырок можно часто сштать пренебрежимо малой (по сравнению с подвижностью электронов). Описанная модель позволяет сразу написать выражение для «быстроты» изменения концентрации электронов: ггп — = У вЂ” Апр = — У.
Алз пг Здесь мы использовали тот факт, что л = р. Через г', обозначено число фотонов, поглощаемых в единице объема кристалла в единицу времени. Член Апр характеризует скорость рекомбп- Истоегггггг а3елга ,улвжтааау Рис. !8.19. Модель идеального фотопроводника. Пары алек~ров — дырка образуются под действием света от внешнего источника равномерно по всему объему кристалла. Рекомбияапня происходит в результате прямой аниигиляпии электронов н дырок. Электроны, покидающие кристалл через один электрод, смепяготся новыми, поступающими с противоположного электрода.
648 нации, пропорциональную произведению концентраций электронов и дырок, поскольку в нашей модели рекомбинация считаетсч бнмолекулярным процессом. В стационарном состоянии системы с(п/Ж = О, и тогда для концентрации электронов в этом состоянии имеем: (18.20) Следовательно, величина фотопроввднмостп, соответствующая этому процессу, описывается выражением с. = — поен = (/./А) ' ер, (18.21) где р — подвижность электронов. Формула (!8.2!) предсказывает, что при данном напряжении на электродах фототок будет изменяться пропорционально / хз.
Наблюдаемые зависимости обьнно описываются примерно тем же законом, но с показатс. лом степени между 0,5 и 1; в некоторых кристаллах обнаружена 1олсе резкая зависимость (с показателями, оольшнми единицы). Если источник света, используемый для освещения кристалла, внезапно выключить, то уменыпепне числа носителей будет описываться уравнением нп — = — Лп', нг решение которого имеет вид чз и= 1+ Аш, (18. 23) (18.24) концентрация носителей уменыпится наполовину, т. е. до па/2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
