1.2 Неинжекционные лазеры.

Неинжекционные лазеры реализуются на базе беспримесных (чистых) и примесных полупроводниках (p-n-переход отсутствует).

Беспримесные полупроводники.

В беспримесныхполупроводниках квантовые переходы электронов происходят между валентной зоной и зоной проводимости. Число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне одинаково. Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх можно рассматривать какгенерациюэлектронно-дырочных пар. При этом электрон в зоне проводимости стремится опуститься к нижнему краю зоны, а дырка – к верхнему краю валентной зоны. При переходе электрона в валентную зону происходит соединение (рекомбинация) электрона и дырки.

При облученииполупроводника светом такой частоты, чтобы энергия фотонов была равна или чуть больше ширины запрещенной зоны, фотоны с некоторой вероятностьюпоглощаютсяэлектронами находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. Последние переходят в зону проводимости. С такой же вероятностью фотон может вызвать переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. В результате образуется еще один (вторичный) фотон. В первом случае речь идет о поглощении света, а во втором – о вынужденном испускании света.

Примесные полупроводники.

В

Рис. 3.Энергетическая схема.

энергетической схеме примесным атомам соответствует примесный энергетический уровень, расположенный внутри запрещенной зоны: для донорной примеси он расположен вблизи дна зоны проводимости (ри.3. а –полупроводникn-типа), для акцепторной – вблизи верхнего края валентной зоны (рис.3.б - полупроводникp-типа).

Е_n= 0,01 эВ, т.е. примерно в 100 раз меньше ширины запрещенной зоныЕ. Следовательно, уже слабое повышение температуры приведет к переходу частиц с примесного уровня.

Как в случае беспримесных, так и в случае примесных полупроводников, чтобы полупроводник мог усиливать излучение, надо создать инверсию, т.е. добиться большей концентрации электронов вблизи нижнего края зоны проводимости по сравнению с верхним краем валентной зоны (в случае примесных полупроводников это сделать легче).

Инверсию можно создать оптической или электронной накачкой.

В случае электронной накачки инверсия населенности в полупроводнике создается при воздействии на него потока электронов высокой энергии (20….200 кэВ). Такие электроны проникают в глубь полупроводника на десятки микрометров, ионизируя на своем пути атомы кристаллической решетки. Образующиеся свободные электроны занимают высокие уровни в зоне проводимости, далекие от ее дна; энергия таких электронов обычно около 3. Эти электроны, "остывая", тратят излишнюю энергию в основном на разогрев кристалла, поэтому теоретический предельный КПД энергетического преобразования "электронный луч – излучение" не может превысить 30-40%.

Конструктивно лазер выполняется в виде электронно-лучевой трубки с экраном-мишенью из выбранного полупроводника. По характеру взаимной ориентации электронного и светового лучей различают приборы с поперечной и продольной накачкой; в первых мишень представляет собой монокристалл, боковые грани которого образуют резонатор; во вторых это тонкая полупроводниковая пленка, состыкованная с внешним полупрозрачным зеркалом.

Лазеры с продольной накачкой позволяют улучшить теплоотвод и увеличить рабочий объем полупроводника.

По сравнению с инжекционными лазеры с электронной накачкой обладают рядом важных преимуществ.

1. Значительно более высокая выходная мощность (особенно в импульсном режиме), т.к. объем возбужденной области в 100-1000 раз больше, чем, например, у инжекционных лазеров с двойной гетероструктурой.

2. Возможность лазерной генерации практически на любых прямозонных полупроводниках, в том числе и на таких, которые не удается получить в виде монокристаллов и в которых не удается изготовить р-n-переход.

3. Использование таких важнейших достоинств электронного луча, как простота двухкоординатного высокоскоростного сканирования и высокочастотная модуляция.

По сравнению с обычными электронно-лучевыми трубками лазеры с электронным возбуждением благодаря большому КПД и меньшей угловой расходимости генерируемых лучей имеют значительно большую яркость, достигающую 10 кд/м. Эти приборы, обычно называемые квантоскопами, применяются в проекционных дисплеях и перспективны для использования в системах телевидения высокой четкости на большом экране.