Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
298
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
%
"У
2.3
2.4 2,0
Ъ 1,6 \ 1,2
!*'
I О*
I
GaP
6ах1п^г /Isу Р{-у /ILgGtif^/ISy Si,.у
D
300K
1 I !________!_L
0,5 J
1
ъ 1 tt'
5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0 6,1 6,2 6,3
Постоянная решетки a, /1
Рис. 24. Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки для твердых
растворов типа AJIIBIV [20].
лазерными свойствами. В этих соединениях, относящихся к прямозонным
материалам, энергетические экстремумы в зоне Брил-люэна локализованы
вдоль направления (111) [46 J в отличие от GaAs, у которого экстремумы
расположены в центре зоны.
В этом разделе мы рассмотрим основы физики лазеров, причем в качестве
иллюстраций будем пользоваться в основном примерами, относящимися к
приборам на основе полупроводниковых соединений типа AinBv. Если узлы
решетки, соответствующие элементам III группы, случайным образом заняты
различными атомами элементов этой группы или подобная ситуация
реализуется в узлах решетки элемента V группы, то такие соединения
относятся к кристаллическим твердым растворам. При их описании часто
используются обозначения типа АхВг_хС и Ay-B^CyD^y соответственно для
тройных и четверных соединений, где А и В - элементы III группы, а С и D
- элементы V группы. В пределах каждой группы элементы могут быть
расположены в алфавитном порядке или в соответствии с их атомным номером.
В этой главе мы будем пользоваться алфавитным порядком расположения
элементов внутри групп.
К наиболее важным из сложных соединений относятся твердые растворы
Ala.Ga^AsySb^y и Ga-cIn^AsyP^j, [20]. На рис. 24 приведена диаграмма
значений ширины запрещенной зоны и постоянной решетки для бинарных
полупроводников типа AHIBV и их промежуточных тройных и четверных
соединений. Для создания гетероструктур с пренебрежимо малой плотностью
состояний на границе раздела необходимы пары полупроводников с близкими
постоянными решетки. При использовании GaAs {а - 5,6533 А) в качестве
подложки для гетероструктуры с тронным соединением AlAGax_xAs можно
достичь
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
299
рассогласования решеток менее 0,1 %. Аналогично подложка из InP (а =
5,8686 А) может иметь почти идеальное согласование постоянных решетки с
четверным соединением Ga^In^As^P^^, что обозначено вертикальными линиями
на рис. 24.
Стимулированное излучение. Как говорилось выше, р г Сота лазера связана с
тремя основными процессами, обусловленными переходом носителей:
поглощением, спонтанной эмиссией и стимулированным излучением. Для
описания этих процессов мы будем использовать простую модель [47].
Рассмотрим два энергетических уровня Ех и Е2, один из которых Ех
характеризует основное, а другой Е2 - возбужденное состояние атома (рис.
25). Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или
поглощением фотона с частотой v12, определяемой из соотношения hv12 = Е2
- Еъ где h - постоянная Планка. При обычных температурах большинство
атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в
результате воздействия на систему фотона с энергией, равной /iv12. Атом в
состоянии Ех поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е2. Это
и составляет процесс поглощения излечения (рис. 25, о). Возбужденное
состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без
какого-либо внешнего воздействия ат<>м переходит в основное состояние,
испуская фотон с энергией hv12. Этот процесс называется спонтанной
эмиссией (рис. 26, б). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.
е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком
диапазоне, обычно в пределах 10-0-- 10-3 с, в зависимости от параметров
полупроводника, таких, как структура зон (прямая пли непрямая) и
плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего
энергией hv12, с атомом, находящимся в возбужденном состоянии,
стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием
фотона с энергией hvrz и фазой, соответствующей фазе падающего излучения.
Этот процесс называется стимулированным излучением (рис. 25, в).
Лазеры на основе двойных гетероструктур. На рис. 26 показана базовая
структура лазера с р - "-переходом. Две боковые грани структуры
скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие
грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в
направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется
резонатором Фабри - Перо. Смещение лазерного диода в прямом направлении
вызывает протекание тока. Вначале, при низких значениях тока, возникает
спонтанное излучение, распространяющееся во Есех направлениях. При
увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором
создаются условия для стимулированного излучения, и р - я-переход
испускает монохроматичный и строго направленный луч света (рис. 26).
300
Глава 12
Начальное 1 Состояние
состояние ' после перехода
Ьи,г
'' (В фазе)
Рио. 25. Три основных типа переходов между двумя энергетическими уровнями
