2.1.9 Полупроводниковые лазеры.

Для 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}

_Рис.

_{генерация лазерного излучения с энергией фотона}

_{. (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 уравнениями Ферми 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

Рис.

рекомбинационное излучение.