2.1.10 Полупроводниковые лазеры.

Д ля получения представления о принципе действия полупроводникового лазера необходимо выполнить энергетическую диаграмму уровней электронов в полупроводниках, которая показана на рис. Она содержит валентную зону уровней В, зону проводимости П, которые разделены запрещенной зоной ΔW. Каждая зона состоит из большого числа близкорасположенных уровней. На одном уровне располагаются не более двух электронов с противоположными спинами (согласно принципу Паули). (указать практическое значение этих зон с точки зрения проводимостей).

Рис.

Распределение электронов по уровням этих зон определяется вероятностной функцией Ферми-Дирака в зависимости от их энергии.

(2.27)

где F- энергия уровня Ферми, физический смысл F: при Т→0

для Е < F и Е > F , т.е. А - это граница между полностью заполненными и незаполненными уровнями.

Допустим, что электроны переведены из валентной зоны в зону проводимости. Внутри каждой зоны за время устанавливается свое распределение электронов по уровням, которое определяется такой же функцией:

_{, (2.28)}

где энергии квазиуровней Фермы валентной зоны и зоны проводимости.

_{В результате возникает заполнение уровней , которое показано на рис. . Электроны заполняют самые нижние уровни внутри каждой зоны. Причем в валентной зоне в верхней части остаются незаполненные уровни – «дырки». В результате возникает инверсия населенности электронов между зоной П и зоной В. Эти электроны сваливаются из зоны проводимости в валентную зону, рекомбинируют с дыркой и разность энергий выделяется в виде фотона (рекомбинационное излучение). Если такой полупроводник поместить в оптический резонатор, то возникает генерация лазерного излучения с энергией фотона}

_Рис.

(2.28)

Таким образом, работа полупроводникового лазера эквивалентна генерации по 4 уровневой энергетической схеме.

Теперь необходимо выяснить – каким образом можно получить такое соотношение полупроводника, т.е. осуществить его накачку.

Для того, чтобы обеспечить накачку полупроводникового лазера обычно его изготавливают в виде диода с р-n переходом и с высокой концентрацией элементов более атом/ . В качестве полупроводника широкое применение получил арсенид галлия GaAs. Энергетическая диаграмма перехода показана на рис. при отсутствии напряжения а) и при приложении напряжения в прямом направлении б), заштрихованные области- уровни занятые электронами.

В первом случае (рис. а) уровни Ферми полупроводников р и n типа (Fр и Fn) совпадают, причем Fр попадает в валентную зону полупроводника р типа, а Fn в зону проводимости полупроводника. В p-n переходе возникает потенциальный барьер. При прохождении прямого напряжения и протекании тока диаграмма изменяется (см.рис. б). при этом между уровнями Ферми (Fр и Fn) возникает смещение на величину ∆Е=еU, где U напряжение приложенное к p-n переходу. Для этого материала U≈1.5В. В p-n переходе возникает инверсия населенности электронов и в этой части полупроводника возникает рекомбинационное излучение.

Рис.