Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ANDRUShKO_1981g.doc
Скачиваний:
545
Добавлен:
10.02.2016
Размер:
34.61 Mб
Скачать

11.7. Полупроводниковые лазеры

Общие сведения. В полупроводниковых лазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним или с различными типами (проводимости (р-n-переход).

Идеальным было бы состояние (рис. 11.16), когда верхние уровни в области 2 полностью были бы заполнены электронами проводимости, а нижние в области 1 полностью свободны от ва­лентных электронов, т. е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсия населенности была бы наибольшей.

Формально полупроводник, в котором большинство уровней в области 2 зоны проводимости занято электронами, а в области 1 валентной зоны — дырками, можно назвать, вырожденным одновременно для электронов и дырок, в то время как обычно удается создать либо электронные, либо дырочные вырожденные полупроводники. Предположим, что в такой полупроводник попадает фотон с энергией большей ширины запрещенной зоны , но меньшей, соответствующей границам областей2 и 1, запол­ненных электронами и дырками:

(11.12)

При этом условии будут происходить вынужденные переходы из области 2 в область 1 с испусканием новых фотонов. Если энер­гия падающего фотона то начнется поглощение квантов и возникнут переходы из области 3 валентной зоны, где есть ва­лентные электроны, на свободные уровни области 4 зоны прово­димости.

В вырожденном электронном полупроводнике верхняя граница заполненной электронами области 2 в зоне проводимости прибли­зительно совпадает с уровнем Ферми для электронов а в вырожденном дырочном нижняя граница заполненной дырками области1 в валентной зоне — с уровнем Ферми для дырок . Поэтому

(11.13)

и условие (11.12) для получения вынужденного излучения запи­шем

. (11.14)

Вынужденное излучение будет появляться при воздействии фо­тонов с энергией, заключенной в пределах от до . Такие фотоны всегда есть в полупровод­нике вследствие процесса рекомбинации электронов и дырок. Рекомбинационное излучение имеет спонтанный характер, т. е. фото­ны распределены хаотически по времени, направлению и поляри­зации. «Спонтанные» фотоны вызывают вынужденное излучение, однако для получения самовозбуждения необходимо обеспечить многократное прохождение излучения через среду с инверсией на­селенности. Достигается это созданием отражающих поверхностей на торцах полупроводника.

В полупроводниковых лазерах можно получить очень большие инверсию населенностей и усиление на единицу длины вследствие высокой концентрации частиц в твердом теле. Поэтому длину об­разца полупроводника можно уменьшить до долей миллиметра, а требования к коэффициенту отражения зеркал снизить.

В полупроводниках возможны следующие методы получения инверсии населенностей: инжекция носителей через р-n-переход (инжекционные лазеры), электронная накачка и оптическая на­качка. Наибольшее распространение получил метод инжекции но­сителей.

Инжекционный лазер. В инжекционных лазерах используется р-n-переход, образованный вырожденными полупроводниками с разным типом проводимости. На (рис. 11.17а) показана энергетиче­ская диаграмма такого р-n-перехода в состоянии равновесия, т. е. при отсутствии внешнего пряжения, а следовательно, и тока через переход. Уровни Ферми и в обеих областях совпа­дают. Приближенно можно считать, что в n-области электроны проводимости располагаются на уровнях между «дном» зоны про­водимости и уровнем Ферми , а в p-области дырки –– между«потолком» валентной зоны и уровнем Ферми .

Энергетическая диаграмма для случая, когда к р-n-переходу приложено прямое напряжение , показано на (рис. 11.17б). Пони­жение потенциального барьера на величину увеличивает поток электронов изn-области и поток дырок из р-области через пере­ход. Через р-n-переход потечет ток, и вблизи перехода установится некоторое распределение концентрации неравновесных носителей заряда.

Известно, что при неравновесном состоянии теряет смысл понятие уровня Ферми. Однако для определения полной концентрации носителей в неравновесном состоянии можно воспользоваться прежними формулами, если вместо уровней Ферми ввести квази­уровни Ферми для электронов и дырок. Вдали от перехода (см. рис. 11.17б), где сохраняется равновесное состояние, применимы обычные уровни Ферми и. В области перехода, где име­ются неравновесные носители, существуют два квазиуровня Фер­ми — для электроновидля дырок . Обычно предпола­гают, что в пределах перехода до пересечения линии с грани­цей зоны проводимости величины и мало отличаются.

Аналогичное предположение делают и для уровней и . Далее кривая квазиуровня электронов опускается и сливает­ся с уровнем Ферми . Соответственно кривая квазиуровня для дырок поднимается и сливается с уровнем Ферми .

В некоторой области перехода с шириной одновременно ве­лико число электронов проводимости в группе уровнейиды­рок в группе уровней . Поэтому в областираспределение но­сителей зарядов подобно распределению их на (рис. 11.16),ив ней можно получить инверсию населенности. В этой области перехода наблюдается наиболее интенсивная рекомбинация электронов и дырок, так как скорость рекомбинации пропорциональна произве­дению концентраций электронов и дырок, а они в рассматривае­мой области велики. Рекомбинация электронов и дырок в перехо­де сопровождается спонтанным излучением с энергией, большей ширины запрещенной зоны .

С увеличением внешнего напряжения растут концентрации электронов и дырок в области перехода, увеличивается инверсия населенности. При некотором пороговом напряжении, когда вы­нужденное излучение, вызванное спонтанным излучением, доста­точно для компенсации потерь света в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступит генерация. Таким обра­зом, р-n-переход при малых токах является источником спонтан­ного (рекомбинационного) излучения (светодиод), а при токах бо­лее порогового — источником когерентного излучения (лазер).

Пороговый ток сильно зависит от температуры и концентрации примесей. Понижение температуры облегчает вырождение полу­проводника и, следовательно, уменьшает пороговый ток. Лазеры на арсениде галлия обычно работают при температуре жидкого гелия 4,2 К или жидкого азота 77 К. В настоящее время появились инжекционные лазеры, работающие при комнатной темпера­туре. Экспериментально установлено, что изменение температуры от 4,2 К до комнатной может привести к увеличению плотности порогового тока до 100 раз. При комнатной температуре необхо­дима плотность порогового тока до .

Распространение получил инжекционный лазер на основе вы­рожденного арсенида галлия , конструкция которого показа­на на (рис. 11.18). Две граниполупроводника перпендикулярны пло­скости р-n-перехода и образуют после полировки зеркала резона­тора. Две другие грани наклонены к плоскости р-n-перехода, что­бы не создавать в этом направлении условий для самовозбужде­ния. Размеры сторон полупроводника — порядка нескольких десятых долей миллиметра. Излучение выходит из узкой области р-n-перехода перпендикулярно параллельным граням полупроводника.

Излучение инжекционного лазера имеет большую угловую расходимость вследствие дифракционных явлений в резонаторе. Пусть толщина области р-n-перехода, в которой происходит гене­рация, , а расстояние между зеркалами. Тогда число Френеля при. При таком малом числе Френеля (см. рис. 11.2) потеривелики, а угловая расходи­мость составляет . Однако в другой плоскости (в плоскости р-n-перехода) угловая расходимость меньше (примерно 1°), так как область излучения здесь примерно на порядок больше.

Спектр излучения инжекционного лазера зависит от выходной мощности, которая, в свою очередь, определяется плотностью тока через р-n-переход. Когда плотность тока незначительно превышает пороговую плотность тока, имеется только одна мода с ши­риной линии излучения около и длиной волны , соответствующей ИК-диапазону. С ростом плотности тока число мод увеличивается. Частота генерируемых мод зависит от температуры, так как последняя влияет на коэффициент преломления кристалла и ширину запрещенной зоны. При изменении температуры возможен перескок от одной моды к другой. Поэтому долговременная стабильность частоты оказывается гораздо меньшей, чем у газовых лазеров. Следует отметить, что излучение ин­жекционных лазеров поляризовано.

Обычно инжекционные лазеры работают в импульсном режиме, при этом максимальная мощность в импульсе ограничивается пе­регревом кристалла и зависит от рабочей температуры и длитель­ности импульса. Наибольшая импульсная мощность при температуре жидкого азота в лазерах на составила 100 Вт при дли­тельности импульсов примерно несколько микросекунд и частоте следования до 10 кГц. Основным достоинством инжекционных ла­зеров является возможность модуляции излучения изменением на­пряжения на р-n-переходе.

Коэффициент полезного действия инжекционных лазеров огра­ничивается в основном следующими причинами. Во-первых, часть электронов, двигающихся в р-n-переходе, вследствие большой длины свободного пробега проходит активную область, не участвуя в создании вынужденного излучения. Во-вторых, генерируемое световое излучение распространяется не только в активной области, но и рядом с ней, где отсутствует инверсия населенностей, и, следовательно, происходит поглощение излучения. Кроме этих причин имеется потеря мощности источника питания, связанная с прохождением тока через области и контакты. Поэтому КПД инжекционных лазеров на основе обычно составляет несколько процен­тов, хотя при оптимальных условиях может достигать десятков, процентов.

Советскими учеными Ж. И. Алферовым и другими предложе­ны инжекционные лазеры на основе гетеропереходов (гетеролазеры), имеющие высокий КПД. В этих лазерах используют полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны.

Полупроводниковая структура гетеролазеров (рис. 11.19а) со­стоит из области n-типа, узкой области р-типа и обла­сти тройного соединения

р-типа. Активной является средняя область, где создается инверсия населенностей. На грани­це средней и правой областей образуется потенциальный барьер, который ограничивает длину свободного пробега электронов, ин­жектированных из левой области, и повышает эффективность об­разования вынужденного излучения. Кроме этого одновременно уменьшается поглощение света в правой неактивной области, так как из-за различия в коэффициентах преломления в средней и правой областях (рис. 11.19б) наблюдается полное внутреннее от­ражение света на их границе (волноводный эффект). В СССР раз­работаны также гетеролазеры с полным внутренним отражением света с обеих сторон от активного слоя, лазеры с двойной гетероструктурой, или ДГС-лазеры. В этих лазерах удалось существен­но понизить плотность порогового тока и получить большой КПД, что позволило при комнатной температуре осуществить режим непрерывного излучения, который был ранее возможен только при температуре жидкого азота. В ДГС-лазерах на основе –– при комнатной температуре получена плотность порогово­го тока менее .

Отличительными особенностями гетеролазеров являются высо­кий КПД, удобство возбуждения, малые габариты. Путем измене­ния концентрации примесного алюминия от 0 до 30% в можно изготовлять лазеры с различной длиной волны излучения в пределах. Преимущества полупроводниковых лазеров заключаются также в простоте модуляции излучения, осу­ществляемой изменением тока накачки.

Недостаток полупроводниковых лазеров — невысокая степень когерентности излучения, плохая температурная и радиационная устойчивость и пока еще низкая долговечность: так, в лаборатор­ных условиях получена долговечность , однако в промышлен­ных образцах она на один-два порядка ниже.

Крупным достижением лазерной техники последних лет явилось создание гетеролазера с распределенной обратной связью. В таком полупроводниковом лазере торцевые зеркальные поверхности, образующие оптический резонатор, заменены дифракционной решеткой, которая, как известно, на определенных частотах полностью отражает падающее на нее излучение.

Повышения мощности излучения инжекционных лазеров доби­ваются изготовлением набора (решеток) лазерных диодов. Например, при комнатной температуре получена импульсная мощность от 10 до 1000 Вт при частоте следования импульсов до 1 кГц и длитель­ности импульсов 70—200 нс. При этом число лазерных диодов в ре­шетке колеблется от 10 до 60.

При температуре жидкого азота в решетке из 1000 лазерных диодов получена средняя мощность . Вследствие низкой темпера­туры КПД оказывается высоким (несколько десятков процентов). Импульсная мощность решетки составляла для длительности импульсов 2мкс при ча­стоте следования 10кГц. На (рис. 11.20) приведено фотополупроводникового лазера.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]