Инжекционные лазеры.

Если в чистый полупроводник ввести примеси в высокой концентрации (до 10¹⁸ -10¹⁹), можно добиться вырождения электронов и дырок. Для получения вырожденного состояния электронов в полупроводник вводят донорную примесь высокой концентрации, так что уровни донорной примеси расширяются и сливаются с зоной проводимости, что соответствует случаю вырождения.

При большой концентрации примесей уровни донорной примеси расширяются и сливаются с зоной проводимостью (З.П.). При этом квазиуровень Ферми для электронов окажется внутри зоны проводимости и в нижней части зоны вероятность заполнение электронами будет больше .

Аналогичная ситуация может быть реализована и для дырок, если ввести высокую концентрацию акцепторной примеси. При этом уровень Ферми ε_Fможет оказаться в валентной зоне, и вероятность заполнения дырками верхней части валентной зоны будет превышать.

Однако одновременное вырождение электронов и дырок, необходимое для создания инверсии, в чистом полупроводнике получить трудно.

Поэтому для осуществления полупроводникового лазера поступают следующим образом. Приводят в контакт полупроводник с донорной примесью (с электронной проводимостью n-полупроводник) и полупроводник с акцепторной примесью (с дырочной проводимостьюp-полупроводник).

При этом, так как концентрация электронов вn-полупроводнике больше, чем вp-полупроводнике, а концентрация дырок вp-полупроводнике больше чем вn-полупроводнике, электроны начнут переходить (диффузировать) вp-область, а дырки - вn-область.

При этом, так как до области n-иp-проводники были нейтральны, они будут приобретать соответствующий электрический заряд: областьnбудет приобретать положительный заряд за счет ухода электронов и прихода дырок, а областьp-отрицательный заряд за счет ухода дырок и прихода электронов.

В месте контакта полупроводников n- иp-типа образуется запорное поле, препятствующее дальней диффузии электронов и дырок.

Область контакта nиpполупроводников называетсяp-n переходом. При контактеn-иp-полупроводников уровень Ферми будет одинаков, ввиду чего энергетическую диаграмму можно изобразить следующим образом:

Как видно, в области p-nперехода образуется потенциальный барьер_б, образующий препятствие переходу электронов изnвpполупроводник и дырок изpвnполупроводник.

Обратим внимание также на то, что здесь нет области, где электроны и дырки были бы одновременно вырождены (эти области разделяет область p-nперехода, или, как минимум, расстояние между точкамиaиb, и поэтому излучательная рекомбинация невозможна). Ситуация может качественно измениться, если кp-nпереходу приложить прямое напряжение, которое практически снимает потенциальный барьер_б.

Отобразим эту ситуацию в виде энергетической диаграммы при приложении прямого напряжения

Теперь уровень Ферми для электронов ε_Fэвp-nобласти лежит выше дна зоны проводимости, а уровень Ферми для дырок в той же области лежит ниже потолка валентной зоны.

Имеется одновременное (в одной и той же области(p-nпереход) вырождение электронов и дырок, т.е. выполняется условиегде– ширина запрещенной зоны) необходимое для усиления излучения (преобладания вынужденной излучательной рекомбинации над поглощением).

Излучательные переходы происходят при этом только в области p-nперехода, что на рис. показано стрелками

Под действием приложенного поля на место рекомбинировавших электронов и дырок приходят новые и процесс излучения продолжается, пока приложено внешнее поле.

Напомним, что так как p-nобласть имеет толщину от одного до нескольких микрометров, излучающая область представляет собой тонкий слой междуnиpполупроводниками, и излучающий объем невелик:.

Однако благодаря высокой концентрации частиц и, соответственно, высокому показателю усиления (до 10⁵ см^-1) мощность генерации может оказаться достаточно большой, а генерация возникает при малых размерах активного элемента (a, b~1мм).

Описанные механизмы объясняют принципы действия излучающих полупроводниковых светодиодов, где используется спонтанная излучательная рекомбинация (спонтанное излучение).

Для получения лазерного эффекта необходимо, чтобы вероятность вынужденного излучения (вынужденной излучательной рекомбинации) значительно превышала вероятность спонтанного излучения (спонтанной излучательной рекомбинации).

Как известно, для того чтобы повысить вероятность вынужденного излучения, необходимо повысить плотность поля, вызывающего вынужденные переходы, что достигается применением резонатора.

Такой резонатор может быть реализован для полупроводниковых лазеров, например, нанесением отражающих покрытий на противоположные грани полупроводникового кристалла:

Часто, ввиду высокого показателя преломления, такой резонатор образуется за счет Френелевского отражения от граней полупроводника, параллельных друг другу и расположенных нормально к плоскости p-n перехода.

1, 2-параллельные плоские грани полупроводника. Для того чтобы генерация не происходила между гранями 3 и 4, они не должны быть параллельными.

При этом генерация будет происходить в направлении, нормальном к передней и задней грани, указанной на рисунке, в пределах области p-nперехода.

Так как размеры излучающей области малы (единицы миллиметров и единицы микрон) будут сильно проявляться дифракционные явления, приводящие к увеличению расходимости выходящего излучения:

-в направлении, перпендикулярном плоскостиp-nперехода. Так как,,

То есть расходимость выходящего излучения в плоскости, перпендикулярной p-nпереходу будет заметно больше, чем в плоскостиp-nперехода (десятки угловых градусов и единицы градусов соответственно), смотрите рисунки ниже:

При этом пятно излучения представляет собой эллипс, большая ось которого перпендикулярна плоскости p-nперехода:

Рассмотренные полупроводниковые лазеры называются гомогенными.

К недостаткам таких лазеров относятся следующие:

1. во встречных потоках электронов и дырок, встречающихся в области p-nперехода, успевают рекомбинировать не все электронно-дырочные пары, так как время их нахождения в областиp-nмало;

2. часть излучения, распространяющегося в области p-nперехода, уходит за его пределы, в области, где усиление отсутствует.

Это значительно ухудшает энергетические параметры, К.П.Д., и повышает пороговые токи генерации.

Для устранения этих недостатков были предложены так называемые гетероструктурные полупроводниковые лазеры, где вероятность рекомбинации пар электрон-дырка значительно повышается за счет создания потенциальных барьеров или ям, увеличивающих время нахождения электронов в области p-nперехода (за счет отражений от барьеров), а так же обеспечение волноводного эффекта (использование явления полного внутреннего отражения), что достигается тем, что области, прилегающие кp-nпереходу, имеют показатель преломления, больший, чем областьp-nперехода (то есть за счет соответствующего профиля показателя преломления).

Это достигается в гетероструктурных лазерах, один из примеров которых показан на рисунке (материалы, энергетическая диаграмма и распределение показателя преломления):

Такие лазеры имеют низкие пороги генерации, высокий КПД и значительные мощности излучения, которые могут быть значительно увеличены за счет использования лазерных линеек и решеток.

Ввиду малости длины резонатора может быть обеспечен одномодовый режим генерации. обычно единицы – десяткиÅ. При использовании в резонаторе дифракционной решеткиможет составлять до 0.04нм.

Заметим, что длина волны излучения сильно зависит от температуры, т.к. при изменении ее меняется ширина запрещенной зоны, а

Несмотря на большую угловую расходимость выходящего излучения, она может быть легко скомпенсирована с помощью оптики (например, линзы), т.к. размеры излучающей поверхности малы (модель точечного источника).

Мощность излучения гетероструктурных лазеров может составлять многие десятки мВт при токах накачки 200-300 мА.

В настоящее время удалось увеличить излучающий объем ( область p-nперехода) за счет увеличения его ширины ( от долей мм до 1 см), что позволило получать мощность излучения одного полупроводникового лазера до единиц Вт в непрерывном режиме.

Как уже указывалось, одиночные полупроводниковые лазеры используются для накачки твердотельных лазеров. Использование лазерных матриц, состоящих из нескольких (до 25) лазерных линеек, каждая из которых содержит до 50 лазеров, позволяет получать мощность непрерывного режима до нескольких кВт.

Такие системы-линейки и матрицы могут использоваться, в частности, для накачки мощных твердотельных лазеров – одно из перспективных современных направлений лазерной техники.

При этом можно получить высококогерентное излучение твердотельного лазера до нескольких кВт. Его легко сфокусировать в пятно до 1 мкм и можно вводить в световод.

Дополнение.

Как уже указывалось, для накачки п/п лазеров может использоваться оптическая накачка, при этом используется чистый полупроводник (без примеси):

При этом за счет сильного поглощения инверсия образуется при толщине около 1 мкм (что очень мало). Применяются редко.

В лазерах с накачкой электронным пучком также используются чистые полупроводники. Электронно-дырочные пары при этом образуются за счет энергии пучка электронов, бомбардирующих атомы полупроводника (неупругие соударения). Один электрон пучка может образовать десятки-сотни электронно-дырочных пар.

При этом толщина инверсии может достигать сотен мкм (преимущество), значит и больше излучаемая мощность, но очень сложное устройство, поэтому требуется вакуум и охлаждение.

Но можно использовать большое количество различных полупроводников, т.е. p-nпереход с одновременным вырождением электронов и дырок может быть реализован в весьма ограниченном классе полупроводников.

На рисунке, показана схема одного из вариантов использования полупроводникового лазера с возбуждением электронным пучком:

34