Тема 3. Полупродниковые лазеры

3.1. Виды излучательных переходов

В газовых и твердотельных лазерах переходы происходят между энергетическими уровнями атомов или молекул. В полупроводниковых лазерах переходы происходят между энергетическими зонами или между энергетическими зонами и энергетическими уровнями примеси. Длина волны излучения определяется разностью энергий уровней между которыми происходит преимущественный переход электронов при рекомбинации. Существуют два вида рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниковых материалах :

• прямая межзонная рекомбинация,

• рекомбинация через уровни дефектов.

При межзонной рекомбинации электрона и дырки происходит испускание энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны. Эта энергия может испускаться в виде кванта света, затрачиваться на образование другого свободного носителя или возбуждать фононы. Первый тип рекомбинации называется излучательной рекомбинацией, а остальные два – безизлучательными.

Вероятность излучательной рекомбинации зависит от структуры энергетических зон полупроводника. Наибольшую вероятность излучательной рекомбинации имеют полупроводники с прямыми переходами, такие как GaAs, в то время как у полупроводников с непрямыми переходами ( Si, Ge ) эта вероятность мала.

В ероятность рекомбинации зависит от концентрации как избыточных электронов так и дырок. В полупроводниковых лазерах излучательную рекомбинацию можно увеличить за счет повышения концентрации как электронов так и дырок в области p-n структуры. С повышением концентрации примеси донорные уровни расширяются, сливаясь в полосу, которая может перекрываться с зоной проводимости. Такой полупроводник называется вырожденным n – типа. Аналогичное вырождение может наблюдаться и при повышении концентрации акцепторной примеси. В этом случае полоса акцепторных уровней частично перекрывается с валентной зоной. Такой полупроводник называется вырожденным p – типа. В вырожденных полупроводниках n-типа уровень Ферми может располагаться в зоне проводимости, а в вырожденных полупроводниках p-типа уровень Ферми может располагаться в валентной зоне (рис.3.1).

рис.3.1

Е_В, Е_п – энергии дна валентной зоны и потолка зоны проводимости соответственно,

Е_F – энергия уровня Ферми.

3.2. Основные характеристики полупроводниковых излучателей.

1. Спектральная характеристика – зависимость интенсивности излучения от длины волны J( ). Вид спектральных характеристик приведен на рис.1.26.

рис.1.26

На рис.1.26 обозначено :

j – плотность тока,

j_пор – пороговая плотность тока.

2. Излучательная характеристика – зависимость потока излучения от величины плотности тока Ф(j) имеет вид (рис.1.27).

Рис.

3. Диаграмма направленности лазерного излучения – зависимость потока излучения от угла. Представляет собой сложную пространственную поверхность. Может быть представлена кривыми в горизонтальной и вертикальной плоскостях, полученными от пересечения указанной поверхности горизонтальными и вертикальными плоскостями. Ширина диаграммы направленности в указанных плоскостях определяется из выражения

= 1,22 / D, (2.19)

где - длина волны излучения,

D – размер излучающей поверхности в соответствующей плоскости.

Вид диаграммы излучения, ее ширину в двух взаимно перпендикулярных плоскостях можно продемонстрировать на конкретном примере.

Пусть имеется полупроводниковый кристалл, вид которого и размеры приведены на рис.1.28.

рис.1.28

Из рис.28 следует, что D = 10^-6 м, D = 100 10^-6 м,

тогда при = 1 мкм, получим

= 1,22 10^-6 / 10^-6 = 1,22 рад.

= 1,22 10^-6 / 100 10^-6 = 1,22 10^-2 рад.