Полупроводниковые лазеры.

Полупроводниковыми лазераминазывают такие лазеры, в которых в качестве активной среды используются полупроводники. Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками по электропроводимости.

ρ = 10⁴ – 10⁹ КОм/см.

Преимуществом полупроводниковых лазеров являются малые размеры (самые малогабаритные лазеры), механическая прочность, высокий КПД, возможность высокочастотной модуляции, приемлемая мощность генерации, сравнительно невысокая стоимость.

Диапазон длин волн – от УФ до ИК (от 0.32 до 33 мкм). Коэффициент усиления очень высок: от 10²см^-1до 10⁴– 10⁵см^-1, что позволяет получать генерацию при малых размерах. Энергетические уровни полупроводников представляют собой широкие полосы из-за сильного взаимодействия частиц. В каждой такой полосе – энергетической зоне содержится столько энергетических уровней, сколько атомов в кристалле полупроводника.

Т.к. ширина зоны 10 эВ, а число атомов ~ 10²²– 10²³, расстояние между уровнями в зонах составляет 10^-21– 10^-22эВ.

Наиболее важными для полупроводника является зона валентная(образованная уровнями энергии валентных электронов) и зона проводимости, между которыми расположена запрещенная зона.

Электрические и оптические свойства полупроводников в основном определяются этими зонами.

При Т=0 все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости пуста.

При Т>0 часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, а на их месте образуются вакансии (дырки).

Распределение электронов и дырок по энергетическим уровням в равновесном состоянии описывается распределением Ферми – Дирака:

–для электронов;

–для дырок;

здесь ε_F - уровень Ферми, вероятность заполнения которого равна½. f_{э +} f_д = 1.

В чистом полупроводнике уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны,

т.е. вероятность нахождения электрона в зоне проводимости меньше ½, также как и дырок в валентной зоне, ввиду чего такой полупроводник может только поглощать оптическое излучение.

В полупроводниках возможны следующие оптические процессы:

1. Поглощение излученияс образованием пар электрон – дырка (если hν ≥, где– ширина запрещенной зоны) (оптическая генерация пар электрон-дырка).

2. Рекомбинация пар электрон-дырка с образованием оптических квантов (фотонов) (спонтанная излучательная рекомбинация).

Заметим, что рекомбинация пар электрон-дырка может быть и безизлучательной.

3. Вынужденная излучательная рекомбинация.

Для этого процесса необходимо, чтобы энергия фотона равнялась бы энергии рекомбинации. В результате получаем два кванта (исходный и выделенный), неотличимых друг от друга.

Из вышесказанного ясно, что для усиления и генерации оптического излучения может быть использован только этот процесс.

Таким образом, в основе принципа действия полупроводниковых лазеров лежит вынужденная излучательная рекомбинация пар электрон-дырка.

Итак, в полупроводниках имеют место 3 оптических процесса:

Для того чтобы процесс вынужденной излучательной рекомбинации преобладал над процессом поглощения, необходимо обеспечить достаточно большое количество пар электрон-дырка перед пропусканием усиливаемого излучения.

Это может быть достигнуто, если перед усилением обеспечить большое количество электронов в зоне проводимости (вблизи ее дна), и большое количество дырок в валентной зоне (в верхней ее части):

Достаточно большое количество означает вероятность заполнения электронами дна зоны проводимости больше и вероятность заполнения дырками верхней части валентной зоны больше, так как только в этом случае вынужденное излучение будет превалировать над поглощением проходящего излучения.

При этом, если через такой полупроводник пропустить излучение с энергией фотона hνв пределах отдо-, оно будет когерентно усиливаться за счет вынужденной рекомбинации, так как ее вероятность будет превышать вероятность поглощения.

Такое состояние полупроводника называется вырожденным (уровень Ферми при этом в зоне проводимости для электронов и в валентной зоне для дырок).

Итак, для получения инверсии в чистом полупроводнике необходимо достичь вырождения электронов и дырок:

- > , – условие инверсии в полупроводнике (1)

Полупроводниковые лазеры отличаются друг от друга по способу создания инверсии населенностей (условие (1)) и делятся на 4 класса:

1. лазеры с электронным возбуждением;

2. оптической накачкой;

3. прямым электрическим возбуждением (лавинный пробой);

4. инжекционные.

Последние – инжекционные– (инжекция носителей тока черезp–nпереход) наиболее распространены. В лазерах с электронным возбуждением используется накачка электронным пучком. В лазерах с оптической накачкой используется накачка оптическим излучением сhν > ΔЕзз(см. литературу).В указанных лазерах используется весь объем полупроводника.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных – инжекционных лазеров.