102.4. Отрицательный коэффициент поглощения и отрицательная температура.

–I=Ix=(B₁₂N₁–B₂₁N₂)u_hx

Коэффициент поглощения  будет иметь вид:

Учитывая, что g₁B₁₂=g₂B₂₁ получаем

Из распределения Больцмана

следует, что

Поскольку E₂>E₁, а в равновесии g₁N₂<g₂N₁ то T>0.

Однако если выполняется неравенство

или

то Т<0.

102.5. Инверсия населенности. Методы образования инверсии населенности.

Как известно, коэффициент поглощения  имеет вид

Из распределения Больцмана

следует, что

Поскольку E₂>E₁, а в равновесии g₁N₂<g₂N₁ то T>0.

Однако если выполняется неравенство

или

то Т<0. Таким образом, для того чтобы создать среду с отрица­тельным поглощением, необходимо осуществить неравновесное со­стояние, при котором число возбужденных атомов было бы больше числа атомов, находящихся в нормальном, невозбужденном состоя­нии. Заселенность энергетических уровней атомов, удовлетворяю­щих данному неравенству, носит название инверсной насе­ленности.

Одним из способов получения среды с отрицательным поглоще­нием может явиться создание косвенным путем избытка атомов на более высоком уровне энергии по отношению к более низкому.

Такой случай можно осуществить на атомной или молекулярной системе, которая может находиться в трех энергетических состоя­ниях: в нормальном с энергией E₀ и двух возбужденных (1 и 2) с энергиями E₁ и E₂, между которыми возможны спонтанные пе­реходы с вероятностями А₂₀, A₂₁ и A₁₀.

В такой системе с помощью поглощаемых квантов света произ­водится заселение возбужденного уровня 2. Селективное заселе­ние уровня получило название оптической накачки. Уровень 1 заселяется только в результате спонтанного перехода 21, и число таких переходов в единицу времени равно A₂₁N₂

Уменьшение населенности уровня 1 происходит только за счет пе­реходов 10, и число таких переходов в единицу времени будет A₁₀N₁. В стационарных условиях количество заселяющих пере­ходов равно числу обратных переходов:

A₂₁N₂=A₁₀N₁.

Для получения индуцированного излучения необходима ин­версная населенность уровней, т. е. населенность уровня 2 должна быть больше, чем уровня 1. Для рассматриваемой системы инверс­ная населенность уровней возникнет в том случае, если

A₂₁<A₁₀

Из этого соотношения следует, что уровень 2 за счет перехода 21 должен опустошаться медленнее, чем уровень 1 за счет пе­реходов 10. При таком соотношении вероятностей в состоянии 2 будет накапливаться больше атомов, чем в состоянии 1. Однако для осуществления такого процесса накопления атомов необходимо также, чтобы уровень 2 достаточно медленно опустошался за счет переходов 20, т.е. вероятность перехода из состояния 2 в со­стояние 0 должна быть мала.

103.1. Светодиоды.

В свет-х свечение возникает при пропкскании тока в прямом направлении.

Свечение в с – е относится к явлению электро люминис-ции. Инжекция на р-n переходе возн. в рез. инжекции неосновных носителей заряда.

Электроны инжектируются в p-область, а дырки в n-область. Рекомбинация своб-х электронов и дырок может происходить на примесных уровнях или в рез. рекомбинации свободного эл. и дырки. Спектр испускания свет-в может иметь несколько полос, связанных с примесными центрами (активаторами), и полосу зонно-зонных переходов. Излучение св-а явл. спонтанным, кванты света распростроняются в разном направлении. Яркость свечения В зависит от величины тока протекающего через p-n переход ВIⁿ, где 1<n<2. В области p-n перехода т.ж. может происходить рекомбинация, эн. кот. Тратится на нагревание кр. решётки, поэтому КПД =до 40%.

Среди светоизлучающих диодов (СИД) различают диоды для индикации, для оптической связи, а также обладающие высокой мощностью излучения. Рассмотрим диоды, используемые в оптической связи. СИД по сравнению с полу­проводниковыми лазерами обладают более широким спектром излучения, полоса модуляции у них уже, а эффективность связи с оптическим волокном ниже.

По способу вывода излучения СИД подразделяются на дио­ды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями. В полупроводниковых лазерах обычно используется двойная гетероструктура

Структура СИД с поверхностным излучателем (а) и с торцевым излучателем (б): 1–эпоксидная смола. 2 –омический контакт; 3–излу­чение; 4– оптическое волокно; 5–подложка на n-GaAs; 6–активный слой; 7-теплоотвод; 8-нижний омический контакт (диаметром 50 мкм), 9 – нижний омический контакт (ширина 65мкм)10–подложка.

В СИД с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода (рис.а). Для улучшения отвода тепла от активного слоя одна сторона выращенного слоя прижимаемся к теплоотводу, а вывод излуче­ния осуществляется со стороны подложки. Для вывода излуче­ния через поглощающую подложку на арсениде галлия в AlGaAs СИД в подложке вырезается круглое отверстие и вво­дится оптическое волокно.

В СИД с торцевыми излучателями вывод излучения, выхо­дящего из активного слоя, осуществляется с торца, как в полу­проводниковых лазерах. Так как в этом случае генерируемое излучение при выводе наружу проходит через активный слой, то имеет место сильное самопоглощение и КПД вывода излу­чения не может быть таким же высоким, как у ранее рассмотренного типа диодов.