Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
возможностей работы полупроводников в режиме генерации, не удивительно,
что в конце 1962 г. почти одновременно три группы ученых сообщили об
осуществлении режима генерации {Л. 11-13]. В р-п переходах, изготовленных
из арсенида галлия и находящихся под прямым смещением, при охлаждении до
температуры жидкого азота было получено импульсное излучение с длиной
О
волны 8 400 А. Вскоре после этого появилось сообщение о получении
генерации в р-п переходах, изготовленных из смешанных кристаллов
О
GaAsi-*P* - на длине волны 7 100 А [Л. 14]. Было показано, что длина
волны излучения лазера может меняться при изменении относительного
количества мышьяка и фосфора. Со времени первоначальных открытий было
найдено много новых материалов для лазеров. Когерентное излучение может
быть получено в широкой области спектра от ультрафиолетовой до средней
инфракрасной (Л. 16].
Излучение полупроводниковых лазеров подобно излучению других лазеров
(таких, как стандартный рубиновый или лазер на смеси газов гелий - неон)
является когерентным во времени и пространстве. Это означает, что
излучение лазера высокомонохроматично (или узкополосно) и что оно создает
строго направленный пучок света ;[JI. 16] Однако полупроводниковые лазеры
существенно отличаются от лазеров других типов.
1. В рубиновом и газовом лазерах излучательные переходы происходят между
дискретными энергетическими уровнями, в то время как в полупроводниковых
лазерах переходы определяются структурой энергетических зон материала.
2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (порядка 0,1 мм в
длину). Кроме того, вследствие того, что активная область очень узка
(порядка 1 мкм), расхождение лазерного луча в полупроводниковых лазерах
значительно больше, чем в рубиновом и газовых лазерах
3. Пространственные и спектральные характеристики полупроводниковых
лазеров в сильной степени зависят от свойств материала, из которого
изготовлен р-п переход (таких, как степень легирования и структура краев
зон).
4. Для полупроводниковых лазеров возможны различные методы возбуждения
(накачки): инжекция через р-п .переход (так называемые инжекционные
лазеры), оптическое возбуждение, возбуждение пучком электронов и лавинный
пробой.
5. В лазере с р-п переходом лазерное излучение возникает при прохождении
через диод тока. Таким образом, энергия возбуждения используется
непосредственно для создания инверсной населенности в зоне проводимости.
В результате эффективность системы в целом очень высока и излучение может
быть легко иромодулировано. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые
времена стимулированного излучения, вследствие чего модуляция может
производиться на высоких частотах
В следующем параграфе мы рассмотрим основные принципы действия
полупроводниковых лазеров. Характеристики лазеров с р-п переходами будут
обсуждаться в § 3, в котором прежде всего будут рассмотрены лазеры,
изготовленные из арсенида галлия. В § 4 мы разберем другие методы
возбуждения, а также другие полупроводниковые материалы для лазеров.
2. Физика полупроводниковых лазеров
1. Электронные переходы. Существуют три основных процесса, связанные с
работой лазера: иоглощение, спонтанное излучение и стимулированное
излучение. Для того чтобы продемонстрировать эти процессы, воспользуемся
простой моделью |[Л. 17]. Рассмотрим два энергетических уровня в атоме Еi
и Е2 (рис. 1), где Et - уровень, соответствующий основному состоянию, а
Е2 - уровень, соответствующий возбужденному состоянию. Любой переход
между этими состояниями сопровождается согласно закону Планка излучением
или поглощением фотона с частотой Vi2, которая определяется из
соотношения hvu=E2-Ei, где А- постоянная Планка. При обычных температурах
большинство атомов находится в основном со-
стоянии. Это положение нарушается, когда с системой сталкивается фотон с
энергией, равной hva. Атом в состоянии ?j поглощает фотон и переходит
вследствие этого в возбужденное состояние ЕЭто соответствует процессу
поглощения (рис. 1 ,а). Возбужденное состояние атома является
нестабильным, и через короткий промежуток
времени атом без какого-либо внешнего воздействия переходит в основное
состояние с излучением фотона, энергия которого равна Av 12. Этот процесс
называется спонтанной эмиссией и иллюстрируется рис. 1,6 Время жизни для
спонтанной эмиссии, т. е. среднее время существования атома в
возбужденном состоянии, может меняться в пределах от 10~9 до 10_3 сек в
зависимости от различных параметров полупроводника, таких, как структура
зон (прямая или непрямая) и концентрация рекомбинационных центров. Если
фотон с энергией hv 12 сталкивается с атомом, находящимся в возбужденном
состоянии, происходит важное и интересное явление; под влиянием фотона
атом немедленно переходит в основное состояние с излучением фотона,
энергия которого равна hvn и который находится в фазе с начальным
(стимулирующим) излучением. Этот процесс называется стимулированной
эмиссией и иллюстрируется рис. 1,е.
