На головну

 Лазери на гетероперехідах напівпровідникові лазери - Технологія

1. Введення.

Напівпровідникові лазери відрізняються від газових і твердотільних тим, що випромінюють переходи відбуваються в напівпровідниковому матеріалі не між дискретними енергетичними станами електрона, а між парою широких енергетичних зон. Тому перехід електрона із зони провідності у валентну зону з подальшою рекомбінацією призводить до випромінювання, який лежить у відносно широкому спектральному інтервалі і становить кілька десятків нанометрів, що набагато ширше смуги випромінювання газових або твердотільних лазеров.2. Створення інверсної населеності в напівпровідниках.

Розглянемо власний напівпровідник. В умовах термодинамічної рівноваги валентна зона напівпровідника повністю заповнена електронами, а зона провідності порожня. Припустимо, що на напівпровідник падає потік квантів електромагнітного випромінювання, енергія яких перевищує ширину забороненої зони hv> Eg. Падаюче випромінювання поглинається в речовині, так як утворюються електронно-діркові пари. Одночасно з процесом утворення електронно-доручених пар протікає процес їх рекомбінації, що супроводжується утворенням кванта електромагнітного випромінювання. Згідно з правилом Стокса - Люммля енергія випроміненого кванта менше в порівнянні з енергією генеруючого кванта. Різниця між цими енергіями перетвориться в енергію коливального руху атомів кристалічної решітки. В умовах термодинамічної рівноваги ймовірність переходу з поглинанням фотона (валентна зона - зона провідності) дорівнює ймовірності випромінювального переходу (зона провідності - валентна зона).

Припустимо, що в результаті якогось зовнішнього впливу напівпровідник

виведений зі стану термодинамічної рівноваги, причому в ньому створені одночасно високі концентрації електронів у зоні провідності і дірок у валентній зоні. Електрони переходять в стан з деякою енергією Fn поблизу стелі валентної зони. Розглянута ситуація ілюструється діаграмами, наведеними на рис. 1. Так як всі стани поблизу дна зони провідності заповнені електронами, а всі стани з енергіями поблизу стелі валентної зони заповнені дірками, то переходи з поглинанням фотонів, що супроводжуються збільшенням енергії електронів стають неможливими. Єдино можливими переходами електронів в напівпровіднику в розглянутих умовах є переходи зона провідності - валентна зона, що супроводжуються рекомбінацією електронно-доручених пар і випусканням електромагнітного випромінювання. У напівпровіднику створюються умови, при яких відбувається посилення електромагнітної хвилі. Іншими словами, коефіцієнт поглинання виходить негативним, а розглянута ситуація відповідає стану зінверсної щільністю населеності.

Потік квантів випромінювання, енергія яких знаходиться в межах від hv = Ec-Evдо

hv = Fn-Fp, поширюється через збуджений напівпровідник безперешкодно.

Для реалізації процесу випромінювальної рекомбінації необхідно виконати дві умови. По-перше, електрон і дірка повинні локалізуватися в одній і тій же точці координатного простору. По-друге електрон і дірка повинні мати однакові за значенням і протилежно спрямовані швидкості. Іншими словами, електрон і дірка повинні бути локалізовані в одній і тій же точці k-простору. Так як імпульс утворюється в результаті рекомбінації електронно-діркової пари фотона значно менше порівняно з квазіімпульса електрона і дірки, то для виконання закону збереження квазіімпульса потрібно забезпечити рівність квзіімпульсов електрона і дірки, що беруть участь в акті випромінювальної рекомбінації.

Оптичним переходам із збереженням квазіімпульса відповідають вертикальні в k-просторі (прямі) переходи. Збереження квазіімпульса в процесі випромінювального переходу може рассматріватся як квантомеханические правило відбору (в тому випадку, коли в акті випромінювальної рекомбінації не приймають участь треті частинки, наприклад, фонони або атоми домішок) .Невертікальние в k-просторі (непрямі) переходи мають значно меншу ймовірність по порівняно з прямими переходами, так як в цьому випадку потрібно збалансувати деякий різницевий квазіімпульс dk (рис. 2).

Таким чином для отримання випромінювальної рекомбінації необхідний прямозонних напівпровідник, наприклад, GaAs. Взагалі, дотримуючись суворої теорії можна довести, що інверсна населеність можлива лише за умови Ec-Eg

© 8ref.com - українські реферати
8ref.com