6. Принцип действия полупроводникового квантового генератора

Пусть имеется полупроводник, в котором выполняется условие (4.2) (рис.4.5). В нем может произойти спонтанная рекомбинация. Появившийся фотон может вызвать индуцированную рекомбинацию, в результате которой в полупроводнике будет два фотона с одинаковыми направлениями распространения, частотой, фазой и поляризацией. Они в свою очередь, могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что приведет к появлению уже четырех фотонов, и т.д. Таким образом, в полупроводнике возникает лавинообразный процесс нарастания числа фотонов, происходит усиление световой волны.

Так как в результате спонтанной рекомбинации появляется большое количество фотонов, распространяющихся во всевозможных направлениях, то имеется множество усиливающихся световых волн, которые распространяются в любых направлениях и частоты которых находятся в интервале Δν (4.1). Полупроводник начинает излучать свет. На этом принципе основано действие светоизлучающих диодов (СИД).

Поместим теперь полупроводник между двух зеркал, установленных параллельно друг другу, которые образуют оптический резонатор (рис.4.5). В этом случае из всех световых наибольшее усиление получит та, которая распространяется по оси полу-проводника перпендикулярно зеркалам. Это связано с тем, что эта волна, падающая на зеркало З₁, отражается обратно в полупроводник, где она усиливается. После отражения от зеркала З₂волна опять направляется в полупроводник, где она снова усиливается, и т.д. Световые волны, распространяющиеся по любым другим направлениям, быстро покидают полупроводник и поэтому не получают заметного усиления.

Если одно из зеркал, например З₁, сделать полупрозрачным, то световая волна частично будет выходить в виде остронаправленного светового луча из оптического резонатора – происходит процесс генерации оптического излучения.

7. Инжекционные полупроводниковый квантовый генератор

и светоизлучающий диод

Осуществить в чистых беспримесных полупроводниках одновременное вырождение электронов и дырок трудно. Гораздо легче этого добиться , используя примесные полупроводники, в которых уже вырождены либо электроны, либо дырки.

Если взять два вырожденных полу-проводника n- и р-типов и соединить их (рис.4.6), то в месте контакта, называемом р-n-переходом, может быть выполнено условие (4.2):>ΔEg. Часть электронов проводимости из n-области очень быстро перейдет в р-область, а часть дырок из р-области – в n-область. В процессе этого перехода электроны и дырки будут рекомбинировать, излучая фотоны. Последние не могут поглощаться в р-n-переходе, а, следовательно, свет будет усиливаться до тех пор пока выполняется условиеΔEg. Однако это условие будет выполняться в области перехода только в первый момент присоединения полупроводников. Через небольшое время движение электронов и дырок прекратиться: они перераспределятся по энергетическим уровням, и р-n-переход придет в равновесное состояние, уровни Ферми в области р – n – перехода совместятся и в нем исчезнет одновременное вырождение электронов и дырок, условие (4.2) выполняться не будет (рис.4.7).

Для того чтобы снова создать вырождение электронов и дырок в области р-n-перехода, к нему необходимо приложить напряжение в прямом направлении. При этом через переход потечет ток, состоящий из двух компонент: электронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу. Происходит инжекция носителей заряда в р-n-переход. Эти два потока частиц встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, излучая свет. При достаточно большом токе в области р-n-перехода обеспечивается одновременное вырождение электронов и дырок, необходимое для усиления и генерации оптического излучения (рис.4.8).

Для изготовления инжекционных полупроводниковых квантовых генераторов (ПКГ) и СИД используют в основном прямозонный полу-проводник арсенида галлия GaAs. В кристалле небольших размеров (длина 1 мм, ширина 0,5 мм и толщина 0,2 мм) формируют р-n-переход с контактами для подачи напряжения, ПКГ отличаются от СИД наличием резонатора. Зеркала резонатора изготавливаются на поверхности кристалла полупроводника перпендикулярно плоскости перехода.