Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Такие фотоны всегда есть вполупроводнике вследствие процесса рекомбинации электронов и дырок.Рекомбинационное излучение имеет спонтанный характер, т. е. фотоны распределеныхаотически по времени, направлению и поляризации. «Спонтанные» фотоны вызываютвынужденное излучение, однако для получения самовозбуждения необходимо обеспечитьмногократное прохождение излучения через среду с инверсией населенности. Достигаетсяэто созданием отражающих поверхностей на торцах полупроводникового образца.В полупроводниковых лазерах можно получить очень большую инверсию населенностейи высокое усиление на единицу длины вследствие высокой концентрации частиц в твердомтеле. Поэтому длину образца полупроводника можно уменьшить до долей миллиметра, атребования к величине коэффициента отражения зеркал снизить.В полупроводниках возможныследующие методыполучения инверсиинаселенностей: инжекция носителей через р—n-переход (инжекционные лазеры),228электронная накачка и оптическая накачка.
Наибольшее распространение получил методинжекции носителей.Инжекционный лазер. В инжекционныхлазерах используется р—n-переход,образованный вырожденными полупроводниками с разным типом проводимости. На рис.15.26,а показана энергетическая диаграмма такого р—n-перехода в состоянии равновесия,т. е. при отсутствии внешнего напряжения, а следовательно, и тока через переход. УровниФерми ∈Fn и ∈Fp в обеих областях совпадают. Приближенно можно считать, что в робласти электроны проводимости располагаются на уровнях между «дном» зоныпроводимости ∈пр и уровнем Ферми ∈Fn ,а в р-области дырки—между «потолком»валентной зоны ∈в и уровнем Ферми ∈Fn.Энергетическая диаграмма для случая, когда к р—n-переходу приложено прямоенапряжение U0, показана на рис.
15.26,б Понижение потенциального барьера на величинуU0 увеличивает поток электронов из n-области и поток дырок из р-области через переход.Через р—n-переход потечет ток, и вблизи перехода установится некоторое распределениеконцентрации неравновесных носителей заряда.Известно, что при неравновесном состоянии теряет смысл понятие уровня Ферми. Однакодля определения полной концентрации носителей в неравновесном состоянии можновоспользоваться прежними формулами, если вместо уровней Ферми ввести квазиуровниФерми для электронов и дырок. Вдали от перехода (см.
рис. 15.26,б), где сохраняетсяравновесное состояние, применимы обычные уровни Ферми ∈Fn и ∈Fp. В области перехода,где имеются неравновесные носители, существуют два квазиуровня Ферми— для электронов∈′Fn и для дырок ∈′Fp . Обычно предполагают, что в пределах перехода до пересечениялинии ∈Fn с границей зоны проводимости величины ∈Fn и ∈′Fn мало отличаются. Аналогичноепредположение делают и для уровней ∈Fp и ∈′Fp. Далее кривая квазиуровня электронов ∈′Fnопускается и сливается с уровнем Ферми ∈Fp.
Соответственно кривая квазиуровня длядырок ∈′Fp поднимается и сливается с уровнем Ферми ∈Fn.В некоторой области перехода с шириной δ одновременно велико количество электроновпроводимости в группе уровней -- и дырок в группе уровней ∆∈в. Поэтому в области δраспределение носителей зарядов подобно распределению их на рис. 15.25, и в ней можнополучить инверсную населенность.Кроме того, в этой области перехода наблюдается наиболееинтенсивная рекомбинация электронов и дырок, так как скоростьрекомбинации пропорциональна произведению концентрацийэлектронов и дырок, а они в рассматриваемой областиодновременно велики. Рекомбинация электронов и дырок впереходе сопровождается спонтанным излучением с энергией,большей ширины запрещенной зоны (hν>∆∈0).С увеличением внешнего напряжения U0 растутконцентрации электронов и дырок в области δ-перехода, увеличивается инверсия229населенности.
При некотором пороговом напряжении (или токе через переход), когдавынужденное излучение, вызванное спонтанным излучением, достаточно для компенсациипотерь света в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступитгенерация. Выходное излучение получившегося лазера когерентно. Таким образом, р—n переход при малых токах является источником спонтанного (рекомбинационного)излучения, а при токах более порогового — источником когерентного излучения.Пороговое значение тока сильно зависит от температуры и концентрации примесей.Понижение температуры облегчает вырождение полупроводника и, следовательно,уменьшает пороговый ток.
Лазеры на арсениде галлия обычно работают при температурежидкого гелия (4,2К) или жидкого азота (77К.). В настоящее время появилисьинжекционные лазеры, работающие при комнатной температуре. Экспериментальноустановлено, что изменение температуры от 4,2К до комнатной может привести кувеличению плотности порогового тока до 100 раз. При комнатной температуре необходимаплотность порогового тока до 105 А/см2.Наибольшее распространение получил инжекционный лазер на основе вырожденногоарсенида галлия (GaAs), конструкция которого показана на рис.
15.27. Две граниполупроводника перпендикулярны к плоскости р—n-перехода и образуют после полировкизеркала резонатора. Две другие грани наклонены к плоскости р — n-перехода, чтобы несоздавать в этом направлении условий для самовозбуждения. Размеры сторонполупроводника порядка нескольких десятых долей миллиметра. Излучение выходит изузкой области р — n-перехода перпендикулярно параллельным граням полупроводника.Излучение инжекционного лазера имеет большую угловую расходимость вследствиедифракционных явлений в резонаторе. Пусть толщина области р— n-перехода, в которойпроисходит генерация, δ=1 мкм, а расстояние между зеркалами L=0,1 мм. Тогда числоФренеля по формуле (15.4) при λ= 1 мкм N=δ2/λL=10-2. При таком малом числе Френелядифракционные потери велики, а угловая расходимость составляет 5—6 град.
Однако вдругой плоскости (в плоскости р — n-перехода) угловая расходимость меньше (~ 1 град), таккак размер области излучения здесь примерно на порядок больше.Спектр излучения инжекционного лазера зависит от выходной мощности, которая, всвою очередь, определяется плотностью тока через р—n-переход. Когда плотность токанезначительно превышает пороговую плотность тока, имеется только одна мода с ширинойлинии излучения порядка 0,5 Å и длиной волны λ=8400 Å (0,84 мкм), соответствующейИК-диапазону.
С ростом плотности тока число мод увеличивается, причем расстояние междусоседними модами по частоте определяется формулой (15.2,а) и при коэффициентепреломления n=3,6 составляет ~1,5·1011_ Гц, а по шкале длин волн около 1 Ǻ. Частотагенерируемых мод зависит от температуры, так как последняя влияет на коэффициентпреломления кристалла и ширину запрещенной зоны.
При изменении температурывозможен перескок от одной моды к другой. Поэтому долговременная стабильность частотыоказывается гораздо меньшей, чем у газовых лазеров. Следует отметить, что излучениеинжекционных лазеров поляризовано.Обычно инжекционные лазеры работают в импульсном режиме, при этом максимальнаямощность в импульсе ограничивается перегревом кристалла и зависит от рабочейтемпературы и длительности импульсов.
Наибольшая импульсная мощность при температурежидкого азота в лазерах на GaAs составила 100 Вт при длительности импульсов порядканескольких микросекунд и частоте следования до 10 кГц. Основным достоинствоминжекционных лазеров является возможность модуляции излучения изменениемнапряжения на р — n-переходе.Коэффициент полезного действия инжекционных лазеров ограничивается, в основном,следующими причинами. Во-первых, часть электронов, двигающихся в р—n-переходе,вследствие большой длины свободного пробега проходит активную область, не участвуя в230создании вынужденного излучения. Во-вторых, генерируемое световое излучениераспространяется не только в активной области, но и рядом с ней, где отсутствуетинверсия населенностей и, следовательно, происходит поглощение излучения.
Кроме этихпричин имеется потеря мощности источника питания, связанная с прохождением тока черезобласти и контакты.Поэтому КПД инжекционных лазеров на основе GaAs обычно составляет несколькопроцентов, хотя при оптимальных условиях может достигать десятков процентов.Советскими учеными Ж.
И. Алферовым и другими предложены инжекционные лазеры наоснове гетеропереходов (гетеролазеры), имеющие высокий КПД. В этих лазерахиспользуют полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны.Полупр о в о д н и к о в а я структура гетеролазера(рис. 15.28,а) состоит из области GaAs n-типа,узкой области GaAs р-типа и области тройногосоединения AlхGa1-хAs p-типa. Активной являетсясредняя область, где создается инверсиянаселенностей. На границе средней и правойобластей образуется потенциальный барьер,который ограничивает длину свободного пробегаэлектронов, инжектированных из левой области,иповышаетэффективностьобразованиявынужденногоизлучения.Кромеэтогоодновременно уменьшается поглощение света вправой неактивной области, так как из-за различия в величине коэффициента преломленияв средней и правой областях (рис.15.28,б) наблюдается полное внутреннее отражение светана границе этих областей.
В результате этих процессов удалось -при Т=300 К понизитьплотность порогового тока от 20—100 кА/см2 до 7—10 кА/см2 и увеличить КПД до 10%.В СССР разработаны также гетеролазеры с полным внутренним отражением света собеих сторон от активного слоя. При этом удалось понизить плотность порогового тока до1—3 кА/см2 при Т = 300 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
