3.5. Полупроводниковые лазеры.

3.5.1. Принцип работы полупроводниковых лазеров

Полупроводниковый лазер представляет собой лазер на основе полупроводниковой активной среды, в которой используются квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используются квантовые переходы между дискретными уровнями энергии.

Наиболее распространенными в настоящее время являются инжекционные полупроводниковые лазеры. В основе действия инжекционных лазеров лежит электролюминесценция. Электролюминесценция – это люминесценция, возбуждаемая внешним электрическим полем. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителенй заряда через p-n переход при приложении к нему напряжения V в прямом направлении. Такая люминесценция называется инжекционной.

Принцип действия полупроводниковых лазеров можно достаточно про­сто объяснить с помощью рис. 3.7, где изображены валентная зона v и зона проводимости c полупроводника, разделенные энергетической щелью Е_g (за­прещенная зона). Для простоты сначала предположим, что полупроводник находится при температуре Т = 0 К.

Тогда для невырожденного полупровод­ника валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона проводимости будет совершенно пуста (рис. 3.7,а), на котором энергетические состояния, лежащие в заштрихованной области, полностью заполнены электронами).

Пред­положим теперь, что некоторые элек­троны из валентной зоны перешли в зону проводимости посредством лю­бого подходящего механизма на­качки. Через очень короткое время (~1 пс) электроны в зоне проводимо­сти переходят на самые нижние не­занятые уровни этой зоны, тогда как электроны, находящиеся в верхней части валентной зоны, также переходят на самые нижние уровни валент­ной зоны, оставляя, таким образом, «дырки» в верхней части этой зоны (рис. 3.7,6).

Рис. 3.7. Принцип работы полупроводникового лазера.

Эта ситуация может быть описана с помощью введения понятия уровня Ферми для зоны проводимости и соответственно для валент­ной зоны (квазиуровни Ферми, см. пункт 1.6). Эти уровни при температуре Т = 0 определяют для каждой зоны энергию, ниже которой состояния оказываются полностью занятыми электронами и выше которой состояния пусты. Излучение теперь может возникнуть в том случае, когда электрон из зоны проводимости пере­ходит назад в валентную зону, рекомбинируя при этом с дыркой, - так на­зываемый рекомбинационно-излучательный процесс, вследствие которого испускается спонтанное излучение в обычных светоизлучающих диодах. При подходящих условиях может возникнуть процесс вынужденного рекомбинационного излучения, соответственно ве­дущий к лазерной генерации.

Условие того, что фотон в полупроводнике скорее усилится, нежели поглотится, определяется простым соотношением:

. (1)

Усиление возникает в случае, когда вынужденное излучение превосходит поглощение. Чтобы выполнялось условие (1), необходимо иметь . При этом значения и зависят от интенсивности накачки, т. е. от концентрации электронов N, кото­рые перешли в зону проводимости под действием накачки. Действительно, величина с ростом N увеличивается, в то время как величина уменьшается. Таким образом, для выполнения условия , т. е. когда усиление превосходит потери на поглоще­ние, необходимо, чтобы концентрация электронов N превышала некоторое критическое значение, удовлетворяющее условию

. (2)

Значение концентрации инжектированных носителей, которое удовле­творяет условию (2), называется концентрацией прозрачности носи­телей N_пр. Если теперь концентрация инжектированных носителей станет больше, чем N_пр, полупроводник будет характеризоваться полным коэффи­циентом усиления. Если поместить данную активную среду в подходящий резонатор, может возникнуть лазерная генерация (при условии, что полный коэффициент усиления превышает потери в резонаторе). Таким образом, чтобы получить лазерную генерацию, число инжектированных носителей должно достичь некоторого порогового значения N_пор, превышающего N_пр.

Лазерная генерация в полупроводнике была впервые получена в 1962 г. на диоде с р-п переходом.