Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — см. Диоды твердотельные.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР — лазер на основе полупроводниковой активной среды. В отличие от лазеров др. типов, в П. л. используются квантовые переходы между разрешёнными энергетич. зонами, а ие дискретными уровнями энергии (см. Полупроводники). Лазерный эффект в П. л. связан в осн. с межзон-, ной люминесценцией (излучат, рекомбинацией созданных внеш. воздействием избыточных электронов н дырок; рис. 1). Поэтому длину волны X лазерного излучения можно выразить через ширину запрещённой зоны
;* 1K-Kcizg, (і)
где h — постоянная Планка, с — скорость света. П. л. вереирывают спектральный диапазон от X ^ 0,3 мкм •цо Я, я» 45 мкм (рис. 2).
4*
Av
Валентная зона
Рис, 1. Межзонный оптический переход в полупроводниках ори накачке квантами с энергией, большей Av.
В полупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптич. усиления (до IO4 см-1), благодаря чему размеры П. л. исключительно малы, напр, длина резонатора может составлять неск. мкм, типично —
200—300 мкм. Помимо компактности, особенностями П. л. являются малая инерционность (^lO"9 с), высокий кид (10—50%), возможность плавной спектральной перестройки, большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне. К достоинствам П. л. следует также отнести совместимость П. л. с полупроводниковыми приборами др. типов и возможность монолитной интеграции, возможность электронного управления режимом генерации и параметрами излучения — длиной волны, степенью когерентности, числом спектральных мод и т. п., возможность ВЧ-модуляцни излучения путём модуляции тока накачки, низковольтность (<1—3 В) электропитания, а также наибольшую сроди лазеров др. типов долговечность (до 10ь ч).
П. л. включает в себя активный элемент из полупроводникового. монокристалла, чаще всего в форме бруска («чипа»). Собственно актнйная область элемента обычно составляет лишь его малую часть, и её объём, напр, в современном, т. и. полосковом, инжекциопном лазере, оказывается в пределах 10-li—IO-10 см3. On-тнч. резонатор П, л. образован либо торцевыми зеркальными гранями активного элемента (изготовляемого обычно путём раскалывания пласт пи по плоскостям спайности нрнсталла), либо внеш. отражателями и сложными устройствами с пернодич. структурами обратной связи (брэгговскими отражателями и структурами распределённой обратной связи).
Накачка. Важнейшим способом иакачки в П. л. является инжекция избыточных носителей заряда через р — п-переход, гетеропереход нли др. нелинейный электрич. контакт. На рис. 3 показан ишкекц. лазер с активной полоской, вытянутой вдоль ос» оптич. резонатора перпендикулярно двум плоскоиараллельным торцам лазера. Из-за сравнительно малых размеров излучающего пятна на торце ннжекц. лазера испускаемое излучение сильно дифрагирует при выходе во внеш. среду и его направленность оказывается невысокой (угол расходимости лазерного пучка составляет 20 — 40° н обычно заметно различается во взаимно ортогональных плоскостях).
Др. способами накачки служат электрич. пробой в сильном поле (яапр., в т. н. стрн мерных лазерах), освещение (П. л. с оптич. накачкой) и бомбардировка быстрыми электронами (П. л. с электрок-но-лучевой нли электронной накачкой).
П. л. с накачкой электрич. пробоем содержит активный элемент в форме чипа-резонатора с контактами для подведения высоковольтного напряжения. В стример-ном II. л. используется пробой при стримерном разряде в однородном полупроводниковом образце высокого сопротивления. Напряжение в этом П, л. подводится в виде коротких импульсов, а излучающее пятно быстро перемещается вслед за головкой (стримером) электрич. разряда.
При использовании оптич. или электронно-лучевой накачки активная область располагается в приповерхностном слое полупроводникового образца, и толщина этой области зависит от глубины проникновения энергия накачкн. В зависимости от взаимного расположения пучка накачки н лазерного луча используют как
SI
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
52
AiBt
:» tm
PbSe
CdSnP2J
JlnSe I GaSe
InSb
R InAs
^ ППІШШІІ'
UiBi
GaPAs Al Ga As
_____CdHffTeeeeee
CdTe CdSe Cd SSe
I Il I I
I I I Lll
6.2.
0,5
.5
Рис. 2.
Полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах, тральные диапазоны излучения.
продольный, так н поперечный вариант геометрии накачки. П. л. с электроннолучевой накачкой помимо активного элемента (мишени) включает в себя электронную пушку. Особенностью лазеров с такой накачкой является возможность быстрого изменения конфн-гурацнк накачки, напр, сканирования со скоростями, обеспечивающими воспроизведение те л ев из. изображения (лазерное проекц. телевидение).
Физический механизм. Рабочие уровни в П. л. обычно принадлежат эиергетнч. зонам, т. е. областям сплошного спектра энергетнч. состояний, а активными частицами лазерной среды являются свободные носители заряда. Накачка обеспечивает поступление избыточных электронов в зону проводимости и избыточных дырок в валентную зону (напр., оптич. накачка порождает избыточные пары носителей — электронов и дырок — за счёт межзонного поглощения; см. в ст. Полупроводники). Время свободного пробега носителя обычно мало (10'1Э — IO-12 с) вследствие быстрых процессов внут-ризонной релаксации носителей (в частности, элект-рон-электронных столкновений, рассеяния на фононах и примесях и т. п.). В результате неравновесные носителя могут «термализоваться», т. е. перейти на более низкие энергетнч. уровни в пределах своей зоны, распределившись по энергии S в соответствии с ф-циен распределения Ферми для электронов /8 и дырок /д (CM. Ферми - Дирака распределение):