Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
условий для отрицательного поглощения.
434
ние состояния в зоне проводимости - более чем наполовину пусты.
Иными словами и электроны и дырки должны находиться в
вырожденном (по крайней мере частично) состоянии. На рис. 9.1
представлены зависимости энергии от волнового числа для двух
вариантов зонной структуры:
а) в первом случае (рис. 9.1, а) минимум зоны проводимости
расположен точно над максимумом валентной зоны; в этом случае
переход электрона из одной зоны в другую изображается
вертикальной стрелкой, такие переходы называются прямыми;
б) во втором случае (рис. 9.1, б) экстремумы зон разделены
некоторым расстоянием в ^-пространстве и переход изображается
наклонной стрелкой; такой переход, связанный с изменением
импульса электрона на величину Ар = - р2 - Р\ > не может
осуществляться с участием одного только фотона, так как импульс
фотона ничтожно мал *>. Такой переход, который может
осуществляться только с участием фотона и фонона, называется
непрямым.
В этом случае вероятности индуцированного излучения и
поглощения могут быть неодинаковы, так как для того чтобы
перейти в возбужденное состояние, электрон должен поглотить не
только фотон, но и фонон; если температура кристалла низка и
необходимых фононов не будет в наличии, то такой переход
окажется запрещенным законом сохранения импульса.
Таким образом, второй вариант зонной структуры с этой точки
зрения более благоприятен для усиления излучения: здесь нет
необходимости в том, чтобы и электроны в верхней зоне и дырки в
нижней находились в вырожденном состоянии.
Свет может поглощаться не только при межзонных переходах,
но и при внутризонных, т. е. свободными носителями.
Для того чтобы кристалл усиливал излучение, суммарная
вероятность всех процессов, связанных с поглощением кванта,
должна быть меньше, чем вероятность перехода с индуцированным
излучением.
Вероятности прямых переходов (В2, 4 2) отно
сительно велики и значительно превышают вероятность
поглощения свободными носителями (так как последнее
*) Импульс фотона Рф = hv/c очень мал, гак как с - скорость света-
очень велика.
¦28* 435
требует испускания фотона, т. е. эквивалентно тройному
столкновению).
При непрямых переходах оба процесса поглощения свободными
носителями, и "выгодный" 2 -*¦ 1 и "паразитный", связаны с
испусканием фотона и могут иметь сравнимые вероятности; в этом
случае поэтому необходимо выбрать такой полупроводник, в
котором вероятность межзонных переходов больше, чем
внутризонных.
Для получения состояний с инверсной заселенностью могут
быть также использованы переходы между примесными уровнями
или между одной из зон и примесным уровнем.
СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
Выше нами были сформулированы условия, необходимые для
усиления излучения: 1) рабочие уровни в кристалле должны быть
инверсно заселены и 2) полная интенсивность поглощения
падающего излучения должна быть меньше интенсивности
индуцированного излучения.
Условия для генерации являются более жесткими, так как в
данном случае нет падающего излучения, а генератор должен
поддерживать и стабилизировать случайно возникшие в нем
колебания.
По сути дела любой генератор с самовозбуждением является
усилителем шумов, в данном случае этим шумом является
спонтанное излучение.
Для создания условий генерации необходима обратная связь*). В
газовых лазерах она осуществляется системой зеркал. В случае
твердого лазера зеркалами являются его торцы, которые
обрабатываются таким образом, что один из них полностью
отражает падающую на него энергию, а другой делается
полупрозрачным, таким образом, каждый фотон, попавший в
систему, несколько раз отражается от зеркал, а затем либо
поглощается, либо выходит из кри-
*) Если лавина индуцированного излучения беспрепятственно пройдет
через кристалл, то кристалл "погаснет" почти мгновенно и не сможет
служить генератором; для того чтобы стимулированное излучение
поддерживалось, коэффициент размножения должен быть настолько больше
единицы, чтобы компенсировать все потери. Для этого каждый фотон
должен несколько раз пройти кристалл, прежде чем выйти.
436
сталла через полупрозрачный торец.
Для того чтобы осуществлялось
самовозбуждение, необходимо, чтобы
каждый фотон, прежде чем
поглотиться или выйти из системы,
породил второй фотон; при этих
условиях фотоны будут саморазмно-
жаться и число их будет расти до тех
пор, пока энергия излучения,
выходящего из кристалла, не станет
равной энергии подкачки. В
заключение этого раздела
рассмотрим, какими способами
может осуществляться подкачка и
создаваться и поддерживаться
инверсная заселенность.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРСНОЙ
ЗАСЕЛЕННОСТИ
Оптическое возбуждение яв-
ляется одним из основных методов
создания состояния с инверсной
заселенностью. Недостатком этого
метода является низкий
