ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ПРНЦИП РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Принцип действия полупроводниковых лазеров можно достаточно про­сто объяснить с помощью рис. 9.18, где изображены валентная зона Vи зона проводимости С полупроводника, разделенные энергетической щелью ^(за­прещенная зона). Для простоты сначала предположим, что полупроводник находится при температуре Т = О К. Тогда для невырожденного полупровод­ника валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона проводимости будет совершенно пуста (см. рис. 9.18а, 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. 9.186). Эта ситуация может быть описана с помощью введения понятия уровня Ферми Е'Рс для зоны проводимости и соответственно E'Fv для валент­ной зоны (см. раздел 3.2.3). Эти уровни при температуре Т = О 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 на* зываемый рекомбинационно-излучательный процесс, вследствие которого испускается спонтанное излучение в обычных светоизлучающих диодах (со­кращенно СИД, или LED). При подходящих условиях может возникнуть процесс вынужденного рекомбинационного излучения, соответственно ве­дущий к лазерной генерации. В разделе 3.2.5 было показано, что условие того, что фотон в полупроводнике скорее усилится, нежели поглотится, пред­ставлено простым соотношением:

Eg^hv^E'Fc-E’Fv. (9.4.1)

В простейшем случае при Т = О К это условие можно легко объяснить с помощью рис. 9.186, где незаштрихованная область в валентной зоне соот­ветствует пустым состояниям, и электрон из зоны проводимости может пе­рейти только в пустое состояние валентной зоны. Тем не менее, детальное изучение раздела 3.2.5 показывает, что условие (9.4.1) в действительности сохраняется при любых температурах и означает, что для энергии фотона hVi определяемой выражением (9.4.1), усиление возникает в случае, когда
нужденное излучение превосходит поглощение. Чтобы выполнялось усло­вие (9.4.1), необходимо иметь Е’¥с - Е'Р^Её. При этом значения ЕРс иЕРу за­висят от интенсивности накачки, т. е. от концентрации электронов ЛГ, кото­рые перешли в зону проводимости под действием накачки (см. рис. 3.15). Действительно, величина ЕРс = ЕРс (И) с ростом N увеличивается, в то время как величина Е^ = ЕР(М) уменьшается. Таким образом, для выполнения условия ЕРс - ЕР^Её, т. е. когда усиление превосходит потери на поглоще­ние, необходимо, чтобы концентрация электронов N превышала некоторое критическое значение, удовлетворяющее условию

Е'Рс(М)-Е'к(М) = Её. (9.4.2)

Значение концентрации инжектированных носителей, которое удовле­творяет условию (9.4.2), называется концентрацией прозрачности носи­телей А^.[54] Если теперь концентрация инжектированных носителей станет больше, чем Л^г, 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 превышающего Игг на разницу, достаточную для того, чтобы полный коэффициент усиления пре­высил потери в резонаторе.

Накачку полупроводникового лазера можно осуществить несколькими способами, например за счет поперечного или продольного возбуждения в объеме полупроводника пучком другого лазера или с помощью внешнего электронного пучка. Однако наиболее распространенным способом накачки является использование полупроводникового лазера, включенного по схеме диода, с возбуждением электрическим током, протекающим в прямом на­правлении р-п-перехода [33].

Лазерная генерация в полупроводнике была впервые получена в 1962 г. на диоде с р^-переходом. Демонстрация генерации проводилась почти одно­временно четырьмя группами ученых [34-37], три из которых применяли материал ОаЛв. Приборы, разработанные на ранней стадии исследований полупроводниковых лазеров, были сделаны с использованием одного и того же материала с обеих сторон р-п-перехода и, таким образом, относились к лазерам на гомопереходах. Лазер на гомопереходе теперь имеет лишь исто­рическое значение, с тех пор как он был заменен лазером на двойном гетеро­переходе (ДГ-лазер), в котором активная среда располагается между мате­риалами р - и п-типа, отличающимися от материала активной среды. На са­мом деле, лазеры на гомопереходах в непрерывном режиме могли работать только при криогенных температурах (Т= 77 К), тогда как работа полупро­водникового лазера при комнатной температуре стала возможна только после открытия полупроводниковых гетероструктур, которое произошло через семь
лет после изобретения лазера на гомопереходе (1969 г.) [38-40] и позволило в наши дни использовать полупроводниковые лазеры в самых различных областях. Тем не менее для понимания всех преимуществ, свойственных ДГ-лазерам, полупроводниковые лазеры на гомопереходах будут кратко рас­смотрены в следующем разделе.