Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
1. Измеряется насыщение поглощения на частоте ©1 и определяется параметр нелинейности а.
2. Измеряется порог генерации при двух значениях кт. Эго позволяет по формуле (25.9) найти fii и выражение
So = ho^p/PjX (о),), в котором неизвестны только So и р.
406
3. Экспериментально находится значение кгт, соответствующее максимуму Sr. Тогда формула (25.14) будет вторым уравнением для So и р.
4. Производится измерение в абсолютных единицах Sr и по формуле (25.13) рассчитывается rjr.
При экспериментальном определении лазерных параметров толщину генерирующего объема следует выбирать так, чтобы в пределах всей пластинки плотность возбуждающего света была практически постоянной. Это условие будет выполнено, если x(coi)d<t; 1 + aSn. Найденные таким образом параметры, за исключением г]г, будут справедливы и для толстых пластин, так как они характеризуют свойства активного вещества и не зависят от уровня возбуждения.
Просветление пассивных областей пластинчатых лазеров [769]. Генерация в тонких (1—5 мкм) полупроводниковых
пластинах при оптической накачке [757—770] характеризуется важной особенностью, которая еще не получила однозначного объяснения и требует дальнейшего исследования.
Как показано в § 15, предельный коэффициент усиления в активной среде по своей величине не может быть больше коэффициента поглощения этой среды при отсутствии накачки и условии, что все нижние состояния заняты электронами, а верхние свободны. Поэтому если пучок света проходит последовательно активные (а) и пассивные (п) участки одного и того же вещества длины /а и /п, то его усиление на пути /а будет полностью компенсировано ослаблением в пассивной области при /п^/а-
Однако вопреки ожиданиям усиление даже в маленьком пятнышке тонкой пластинки способно перекрыть потери в пассивной области во много раз большей длины. В работе
[771] получена генерация тонких пластин чистого и слабо примесного CdSe при длине пассивной области, более чем в 10 раз превышающей /а-
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Пусть коэффициент усиления в активной области равен КуС (со), а коэффициент поглощения пассивной области —кпас (©)• Тогда энергетическое условие генерации можнб представить в виде
Кус (©) = - In 1 - ра 4- [рц + Кпас (©)] = кп.
a а (25.16)
Для прямых переходов между параболическими зонами (§ 6) имеем:
4с (со) = a (tto - ?g)1/2 [fe (Ес, F*e) - fe (Ev, Fl)\, (25.17) «пас H = a (h© — ?g)1/2 Ife (Ev, Fh) ~ fe (Ec, F':)]. (25.18)
407
В#слабо примесном невозбужденном полупроводнике /спас (©)« « a (ha — Eg)1/2. Следовательно, если /п > /а, а = ?g, то удовлетюрить условию генерации (25.16) невозможно. Аналогичная трудность возникает при интерпретации генерации л-GaAs пластин с электронным возбуждением [772]. Поэтому сделано предположение, что в активной области вследствие экранирующего действия свободных носителей происходит уменьшение ширины запрещенной зоны, а ка(со) может быть на порядок больше, чем кпяс (о)) на той же частоте [772]. По расчетам авторов
[772], при увеличении концентрации электронов и дырок от п — = 2- Ю16 см~3, р = 0 до п = р — Ю18 см 3 ширина запрещенной зоны в GaAs при Т — 300 °К уменьшается на 90 мэв.
Идея о сужении запрещенной зоны широко используется при интерпретации экспериментальных данных по пластинчатым лазерам [771, 773, 774]. Она позволяет объяснить не только причину генерации пластинки с пассивными областями, но и ответить на вопрос, почему энергия генерируемого кванта в слабо легированных образцах меньше Eg [774, 775], а с ростом накачки частота генерации в некоторых образцах уменьшается [773, 776]. Однако возможна и иная интерпретация экспериментальных данных.
Люминесценция и вынужденное просветление полупроводника так же, как и сужение запрещенной зоны, могут не только обеспечить выполнение условия генерации (25.16), но и привести к сдвигу частоты генерации с ростом накачки.
Полупроводниковые пластины обладают хорошими волноводными свойствами. Все лучи света, идущие из любой точки внутри пластины, испытывают полное внутреннее отражение, если угол их падения больше #=arcsin(l/ri). Для полупроводников показатель преломления п~3,5, #~16°, что соответствует телесному углу, равному 0,08л;. Если в пластине находится источник света со сферической индикатрисой излучения, то только за счет полного внутреннего отражения 96% света остается в пластине. Для лучей, распространяющихся в указанном телесном угле, коэффициент отражения колеблется от 0,3 до 1. Поэтому практически все рекомбинационное излучение полупроводника остается в пластинке и распространяется между ее поверхностями. При квантовом выходе порядка 0,7—0,8 поток люминесценции в пластинке будет сравним с потоком возбуждающего света, а его плотность только на один-два порядка ниже плотности потока накачки.
Наличие резонатора и усиление в активной среде приводят к возникновению усиленной люминесценции с индикатрисой, вытянутой вдоль оси резонатора, и высокой плотностью потока. После преодоления порога само генерируемое излучение еще больше просветляет пассивную область.
