Контрольные вопросы и задания

1. Объяснить устройство и принцип действия светодиодов. Рассказать об областях их применения.

2. Нарисовать и объяснить ВАХ светодиода и спектр его излучения. Как они зависят от материала и конструкции светодиода?

3. Рассказать о способах определения “рабочей точки” светодиода и величины балластного резистора.

4. Каковы методы определения спектральной характеристики светодиода?

5. Вывести рабочую формулу для экспериментального определения постоянной Планка.

6. Какие материалы используются для изготовления светодиодов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ

И ЛЮКСАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОЛАЗЕРОВ

Цель работы: регистрация вольт-амперных и люкс-амперных характеристик полупроводникового гетеролазера и определение его основных эксплуатационных параметров.

Приборы: гетеролазер, установка для регистрации вольтамперных и люкс-амперных характеристик.

Теоретические сведения

Лазером называется прибор, генерирующий очень узкий пучок монохроматического когерентного света высокой интенсивности. Излучение лазера представляет собой почти идеальную плоскую волну. Обычный источник излучает свет во всех направлениях, так что интенсивность его излучения быстро убывает с расстоянием, и свет некогерентен. Некогерентность света (случайное несовпадение по фазе различных частей пучка) обусловлена тем, что возбуждённые атомы испускают свет независимо друг от друга, и каждый фотон можно рассматривать как короткий цуг волн – обычно длиной около 3м и длительностью порядка 10^-8с. Между этими цугами нет определённых фазовых соотношений.

Принцип действия лазера основан на квантовом эффекте. Фотон может поглощаться атомом, когда (и только когда) его энергия hv совпадает с разностью энергий между заполненным энергетическим уровнем атома и свободным возбуждённым уровнем (рис. 59,а). Иначе говоря, необходимо выполнение условия своего рода резонанса. Если атом уже находится в возбуждённом состоянии, то он может самопроизвольно перейти в более низкое состояние с испусканием фотона. При этом возникает так называемое спонтанное излучение. Если с возбуждённым атомом сталкивается фотон, обладающий нужной энергией, то он стимулирует переход атома в более низкое состояние (рис. 59,б).

Рис. 59

Излучение, сопровождающее такой переход, называется вынужденным. Нетрудно видеть, что при вынужденном излучении не только сохраняется падающий фотон, но и в результате перехода атома и более низкое энергетическое состояние возникает фотон с такой же частотой. Оба фотона оказываются в фазе друг относительно друга. Именно так возникает в лазере когерентное излучение. Само название «лазер» произошло из аббревиатуры английского названия прибора Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света вынужденным излучением.

Обычно большая часть атомов находится в низшем энергетическом состоянии, и поэтому падающие фотоны в основном поглощаются. Чтобы получить когерентное излучение в результате вынужденного испускания, необходимо выполнить два условия. Во-первых, атомы должны находиться в более высоком по энергии возбуждённом состоянии, то есть необходима инверсная населённость, при которой число атомов в более высоком состоянии превышает число атомов в более низком состоянии, так что испускание фотонов преобладает над поглощением. Во-вторых, более высокое состояние должно быть метастабильным, то есть электроны в нём должны находиться дольше, чем обычно, и переход в более низкое состояние происходит благодаря вынужденному, а не спонтанному излучению. Эти два условия в различных лазерах выполняются по разному.

Рассмотрим общую схему работы лазера. Предположим, что атомы находятся в состоянии с более высокой энергией. Схема лазера изображена на рис. 60: активная среда лазера заключена в длинной узкой трубке, на концах которой расположены два зеркала. Одно из зеркал полупрозрачное (пропускает около 1-2% падающего излучения). Некоторые из возбуждённых атомов довольно скоро переходят в более низкое по энергии состояние.

Рис. 60

Один из таких атомов изображён на рис. 60 слева. Если излучённый им фотон испытывает столкновение с другим возбуждённым атомом, то он стимулирует этот атом испустить ещё один фотон той же частоты и в фазе с падающим фотоном. Оба фотона в дальнейшем сталкиваются с другими возбуждёнными атомами, стимулируя дальнейшее вынужденное излучение. Процесс продолжается, и число фотонов лавинно нарастает. При попадании фотонов на зеркала на концах трубки большинство их отражается, и, двигаясь в обратном направлении, они продолжают стимулировать испускание атомами новых фотонов. Небольшая доля фотонов, летящих то в одну, то в другую сторону между зеркалами, выходит через полупрозрачное зеркало на одном из концов трубки. Именно эти фотоны и образуют узкий когерентный пучок излучения лазера.

Таким образом, для лазерной генерации необходимы: активная среда с инверсной населённостью, усиливающая свет; устройство для её возбуждения (накачки), создающее такую инверсную населённость; оптический резонатор (система двух зеркал), возвращающий часть фотонов обратно в активную среду.

К важнейшим характеристикам лазера относятся: мощность излучения (Р_изл), порог генерации, коэффициент полезного действия (КПД), длина волны (λ), ширина спектральной линии (Δλ), угловая расходимость излучения (φ_изл), модовый состав излучения. Основные эксплуатационные показатели – диапазон рабочих температур и долговечность.

В полупроводниковых лазерах инверсия населённости энергетических уровней может быть достигнута путём инжекции носителей заряда через p-n-переход.

Для излучения, генерируемого полупроводником при межзонной рекомбинации, должно выполняться условие . Поэтому необходимо, чтобы инжектируемые (возбуждённые) электроны получали достаточные порции энергии, то есть должно иметь место неравенство:

, (1)

где U_p-n – приложенное к p-n-переходу прямое напряжение; ΔЕ – ширина запрещённой зоны; е – заряд электрона.

Рис. 61

Неравенство (1) является условием, которое может быть выполнено лишь при использовании столь сильнолегированных полупроводников, что в них, благодаря вырождению, уровень Ферми располагается в зоне проводимости и в валентной зоне для n- и p- областей соответственно (рис. 61,а).

Полупроводниковые гомо- (вверху) и гетеро- (внизу) лазеры показаны на рис. 61: а – зонная диаграмма в состоянии теплового равновесия; б – распределение концентраций электронов и дырок в режиме прямого смещения.

Роля оптического резонатора в полупроводниковых лазерах играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярные плоскости p-n-перехода.

При пропускании через p-n-переход достаточного большого прямого тока может возникнуть когерентное излучение. Такие гомолазеры с р-n-переходом были созданы на основе GaAs. Типичная структура лазера с р-n-переходом показана на рис. 62.

Рис. 62

Две боковые грани 1 и 2 структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости p-n-перехода и через них осуществляется вывод стимулированного излучения в окружающее пространство. Наоборот, две другие грани 3 и 4 делаются шероховатыми, чтобы предотвратить излучение в направлении, перпендикулярном главному 1–2. Расстояние между зеркальными поверхностями 1 и 2 должно быть равно целому числу длин волн испускаемого когерентного излучения. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо. Фотон, отразившись от боковых зеркальных граней 1 или 2, может многократно пройти активную область лазера вперёд и назад, стимулируя новые излучательные переходы электронов в основное состояние, то есть в валентную зону.

При малых прямых смещениях на р-n-переходе, когда степень отклонения от равновесия недостаточна для возникновения стимулированного излучения, из лазера выходит спонтанное и некогерентное излучение. Только при достижении плотностью тока некоторого порогового значения j_пор активная область лазера начнёт испускать монохроматический когерентный и строго направленный луч света.

Однако лазеры на основе гомопереходов имеют чрезвычайно высокие значения пороговой плотности тока. Сильный нагрев лазерного диода при таких плотностях тока не позволяет реализовать непрерывный режим работы при комнатной температуре.

Лишь изобретение и создание лазеров с гетероструктурой (см. рис. 61) – гетеролазеров – позволило устранить присущие гомогенным структурам недостатки и экспериментально подтвердить предсказанные достоинства полупроводниковых лазеров.

К настоящему времени удалось уменьшить ширину активной области d_а до 0,5–0,2 мкм за счёт использования для изготовления лазера двойной гетероструктуры nAl_xGa_1-xAs–pGaAs–pAl_xGa_1-xAs, энергетическая структура которой представлена на рис. 61 внизу. Как видно из данного рисунка, в такой структуре избыточные носители сосредоточены внутри активной области, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами, что исключает их диффузионное расползание в прилегающие области. Одновременно за счёт скачкообразного уменьшения показателя преломления при переходе от арсенида галлия (GaAs) к твёрдому раствору Al_хGa_1-хAs, практически исключается выход излучения за пределы активной области вследствие явления полного внутреннего отражения. Кроме того, для выполнения условия (1) в гетеролазере нет необходимости легировать активную область до вырождения, так как это условие выполнено за счёт различия запрещённых зон в GaAs и Al_хGa_1-хAs. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению КПД.

Таким образом, в инжекционном гетеролазере, в отличие от полупроводниковых лазеров на гомогенном полупроводнике, области инверсной населённости, рекомбинации носителей заряда и распространения светового излучения почти полностью совпадают и сосредоточены в активном среднем слое. Это приводит к снижению в десятки раз пороговой плотности тока и повышению КПД, что, в свою очередь, позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

Лучшие образцы полупроводниковых инжекционных лазеров позволяют получать когерентное монохроматическое излучение большой мощности с шириной спектральной линии 0,01–0,1нм. Причём лазеры такого типа обладают высоким КПД (до 80%) преобразования электрической энергии в энергию излучения. Кроме того, имеется возможность управления длиной волны излучения лазера, например, за счёт приложения гидростатического давления, изменения температуры прибора и т.д. Все эти достоинства полупроводниковых лазеров открывают широкие перспективы их применения в промышленности, в частности, в волоконно-оптических средствах связи и элементах оптоэлектроники, в научных исследованиях в области молекулярной и атомной спектроскопии, газовой спектроскопии высокого разрешения и для контроля загрязнения атмосферы.