Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
напоминает эффект Бурштейна - Мосса с той только разницей, что в формуле
для эффекта Бурштейна -Мосса отсутствует член БУь. так как там мы имеем
дело либо с зоной проводимости, заполненной до уровня ?>, либо с
валентной зоной, пустой выше уровня Ер (см. подразд. 14.4.2). В отличие
от поглощения испускание может происходить на частотах, лежащих в ин-
14. Некоторые специальные вопросы
515
Рис. 14.9. Поглсщение и вынужденное испускание из области с высокой
концентрацией электронов и дырок, созданных путем инжекции.
тервале A?<ftv<A?+?Fe+^Fh- Так как в данной ситуации нижний уровень пуст,
то это означает полную инверсию заселенности уровней, что должно
приводить к значительному усилению излучения g (отрицательное значение
а). Реально достигнуты довольно большие значения g, до 100 см-1 и более,
так что полупроводники являются подходящими материалами для получения
лазерного эффекта. Если на такую систему не наложены дополнительные
ограничения, то ее спектр излучения будет все же довольно широким. Так же
как и во всех лазерных системах с положительным усилением в широком
диапазоне частот, для увеличения эффективной длины пробега излучения в
материале и для ограничения частотного диапазона' лазерной генерации
применяются оптические резонаторы. У полупроводникового лазера оптический
резонатор часто представляет собой монокристалл с двумя параллельно
сколотыми противоположными гранями. Хотя лазерный эффект удалось
наблюдать и в однородном материале прн сильном возбуждении с помощью
другого лазера, несомненно, более распространенным
516
14. Некоторые специальные вопросы
Рис. 14.10. Иллюстрация резкого возрастания интенсивности I выходного
излучения при достижении критической величины /с инжекционного тока через
лазерный диод.
методом возбуждения является инжекция носителей заряда из р- л-перехода.
В этом случае активная область состоит из узкой области перехода, в
которой присутствуют и электроны, и дырки, ограниченной двумя параллельно
сколотыми гранями. В более современных устройствах используются
гетеропереходы. Как уже обсуждалось в разд. 7.14, последние имеют
преимущества, заключающиеся в меньшем поглощении излучения свободными
носителями и в возможности расположить активную область между областями
материала с меньшим показателем преломления и, таким образом, заключить
излучение в резонаторе.
Предположим, что резонатор имеет длину L, а коэффициенты отражения на
гранях равны Ях и R3. Если а - потери на единице длины, вызванные
посторонним поглощением и потерями излучения, a g - усиление за счет
вынужденного испускания, то излучение, имевшее на входе в резонатор
интенсивность /0, прошедшее через резонатор и вернувшееся в ту же точку,
будет иметь интенсивность
I = I0R1R1exp(2gL-2aL). (14.12)
Следовательно, условие для возникновения лазерного эффекта имеет вид
g> а-1п (ЯЛ). (14.13)
Если через лазерный диод начать пропускать ток, то при малых величинах
тока излучение будет обусловлено спонтанным испус-
14. Некоторые специальные вопросы
517
канием рекомбинационного излучения. На таком принципе основана работа
светоизлучающих диодов (СД). Если затем ток через лазерный диод превысит
некоторую величину, то интенсивность излучения диода резко возрастет. Это
проиллюстрировано на рис. 14.10. Одновременно наблюдается сужение спектра
излучения, что также указывает на начало лазерного эффекта.
Как мы видели, излучательная рекомбинация-это относительно
малоэффективный процесс, поэтому только малая часть энергии, затраченной
на ннжекцию электронов, выделяется в виде излучения. Остальная часть
выделяется в внде тепла и тем самым ограничивает инжекционный ток, если,
конечно, не используется импульсный режим накачки. Именно импульсный
режим использовался во всех ранних работах.
Мы обсуждали лазерный эффект на переходах типа зона - зона, однако ясно,
что он может происходить и с участием примесных центров. Некоторые из
них, дающие сильное излучение, вызванное рекомбинацией связанных
экситоиов, мы уже обсуждали в разд. 10.14. В этом случае зона
проводимости в лазерном процессе аналогична широкой полосе состояний, в
которую происходит накачка электронов в газовом лазере перед тем, как они
попадут в верхнее активное состояние.
14.6.1. ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В первых работах по полупроводниковым лазерам, которые выполнили Р. Н.
Холл и др. [67], Натан и др. [68], а также Квист и др. [69], в качестве
активного материала использовался GaAs в основном потому, что он имеет
прямую запрещенную зону, которая, как мы видели, ведет к более высокому
темпу рекомбинации, чем в случае непрямых переходов, происходящих с
участием фононов. Арсенид галлия применялся еще и потому, что
существовала разработанная методика изготовления светодиодов из этого
материала. В экспериментах использовался импульсный режим работы при 77
К. Считалось, что халькогениды свинца, которые имеют прямые запрещенные
зоны вблизи краев зоны Бриллюэна в направлениях <111>, также хорошо
