Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Декабря 2013 в 00:20, реферат
У 1959 році Н.Г. Басов, Б.М. Вул і Ю.М. Попов запропонували у вигляді робочого тіла використовувати напівпровідник. Вимушене випромінювання на р-п-переході спостерігалось у 1962 році на GаАs. Специфіка напівпровідникових лазерів порівняно з твердотільними, молекулярними і іншими полягає в наступному:
У "звичайних" лазерах активні атоми розглядаються як незалежні, тобто енергетичні рівні, між якими виконується перехід, для всіх атомів одні і ті ж. В напівпровідникових кристалах є часткове просторове перекриття хвильових функцій атомів, і кожний енергетичний рівень може бути зайнятий за принципом Паулі тільки двома електронами. Ймо¬вірність заповнення енергетичного рівня описується функцією розподілу Фермі-Дірака,а не Больцмана. Отже, при розгляді міжзонного погли-нання або випромінювання світла на даній частоті, потрібно розглядати переходи між двома зонами енергетичних рівнів, а не між двома окремими рівнями.
Для зменшення d використовуються властивості подвійного гетеропереходу в структурі лазерного діоду.
Раніше розглядався p-n-перехід, утворений шляхом розподілу р- і п-домішок в одному й тому ж монокристалі, це, так званий, гомоперехід. Якщо ж нарощувати шар одного напівпровідника на монокристалічну підкладку з іншого напівпровідника, то утворюється гетероструктура. Для того щоб змінити d, використовуються властивості подвійного гетеропереходу. В таких структурах активна область лазера представляє собою тонкий шар (d ~ 0,1÷0,4мкм) GаАs, розташований між шаром Gа1-xАlхАs р-типу і шаром Gа1-yАlyАs n-типу. Оскільки стала ґратки GаАs майже співпадає зі сталою ґратки кристала Gа1-yАlхАs то можна виростити кристали з трьома компонентами з мінімальним порушенням ґратки.
Зменшення d зумовлює дві важливі властивості. По-перше, заборонена зона εg кристала монотонне зростає з х. Це призводить до зростання потенційного бар'єру для інжектованих електронів на межі розділу GаАs - р з Gа1-yАlyАs і аналогічно з бар'єром для інжектованих дірок на межі GаАs -п і Gа1-yАlyАs. Наслідком цього є сильна локалізація інжектованих електронів і дірок (тобто, мале d), що через ці бар'єри з активної області заважає їх дифузії. По-друге, залежність показника заломлення Gа1-yАlyАs від х,
де — Δn зміна показника заломлення відносно GаАs , веде до значної локалізації у хвильоводному шарі випромінювальних мод. Це показано на рис. 11.10. Такого типу лазери широко застосовуються у волоконно-оптичних системах.
Отже, в гетероструктурі р-n-переходу суттєво падає дифузійне розпливання інжектованих носіїв, а тому зменшується Іпoр. Окрім того, показник заломлення трикомпонентного н/п АlGаАs значно менший від бінарного GаАs. Це суттєво підвищує ефект оптичного хвилеводу, тобто, випромінювання краще концентрується в активній області. Все це, а також монтаж діоду на підкладці з високою теплопровідністю зменшує порогову густину струму в 100 разів при кімнатній температурі (Іпор ~ 100А -см-2). В результаті реалізується неперервний режим генерації при кімнатній температурі з потужністю ~ 100 мВт.
Гетероструктури
для створення
Збудження електронним бомбардуванням
Інверсію населеності в напівпровіднику можна отримати в результаті електронного бомбардування (при цьому p-n-перехід не потрібен). Електрони
прискорюються до 50 кеВ, проходять крізь гратку напівпровідника і при зіткненні з валентними електронами переводять їх в зону провідності. На кожний збуджений таким чином електрон приходиться дірка так, що навіть в чистому напівпровіднику це призводить до виродженої населеності електронів і дірок, як показано на рис. 11.12. При такому способі збудження число електронів і дірок завжди однакове. В цьому способі ККД - 20%.
Електронне накачування було реалізоване в 1964 р. Н.ІІ Басовим і ін. Швидкий електрон (0,5 МеВ) при прольоті крізь кристал збуджує електрони валентної зони, закидаючи їх в зону провідності. Отже розвивається лавинний процес збудження електронів, поки кінетична енергія збуджуючім електронів не стане меншою εg.
Електрони лавини, утворивши пару електрон-дірка, втрачають в кожному акті енергію більшу εg і імпульс p. Цей імпульс повинні забрати новонароджені електрони і дірки. Отже, електрони і дірки не можуть з'явитися на рівнях поблизу "дна" зони провідності εс і "стелі" валентної зони εF тому, що для цих рівнів імпульс електрона і дірки близький до нуля. Збуджені частинки можуть потрапити тільки на рівні суттєво віддалені від країв зони.
Згідно з законами збереження енергії і імпульсу випливає, що для утворення пари електрон-дірка збуджуючий електрон повинен мати енергію ≥3εg .
Ця енергія розшн діляється між збудженим електроном, діркою і первинним електроном. Потім кінетична енергія ~2εg частинок, які народились, втрачається на збудження теплових коливань кристалічної ґратки. Інша її частина ~εg випромінюється при рекомбінації електрона з діркою.
Рекомбінація електронів і дірок відбувається тільки тоді, коли вони накопичуються біля країв зон. Якщо електронний пучок накачування достатньо інтенсивний, то число електронів і дірок біля країв зони велике, і умова інверсії εс - εF >εg виконується.
Для GаАs порогова густина електричного струму 1 А/см2 при енергії електронів 0,5 МеВ.
Швидкі електрони проникають в глибину напівпровідникового кристала на значну відстань:
де ε0 — енергія електронів в МеВ, ρ — густина речовини в г/см3.
Для GаАs при ε0 =20кеВ l=0,1мм. Це в 100 разів більше, ніж товщина шару p-n-переходу (1 мкм), тобто збуджується більший об'єм речовини і отримуємо більшу потужність — 1 - 2 кВт. Правда, при цьому більше 60% енергії йде в тепло і, природно, кристал необхідно охолоджувати. Схема електронного накачування показана на рис. 11.13.
Накачування може бути імпульсним. Тривалість електронних пучків повинна бути такою, щоб напівпровідниковий кристал не встигав нагріватись.
Вперше напівпровідниковий лазер з електронним збудженням був реалізований на СdS (Т = 4 - 300 К, λ = 485 - 796 нм).
Використання в напівпровідникових лазерах зовнішніх дзеркал суттєво поліпшує направленість, монохроматичність випромінювання і підвищує ефективність охолодження.