6.5.1.2. Полупроводниковые лазеры
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.
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.
В соответствии с зонной теорией полупроводников при поглощении фотона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны Еg, происходит переброс электрона из валентной зоны в зону проводимости Еc (Рисунок - 6.7, а). При этом в валентной зоне образуется дырка.
Рисунок - 6.7. Процесс взаимодействия полупроводника с квантами света: а — образование электронно-дырочной пары; б— спонтанная рекомбинация, сопровождаемая излучением фотона; в— вынужденная рекомбинация электрона и дырки
Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит процесс спонтанного излучения (Рисунок - 6.7, б).
В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (Рисунок - 6.7,в). Для создания условий усиления света необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие. С этой целью увеличивается концентрация электронов вблизи дна зоны проводимости и дырок около потолка валентной зоны.
Обозначим наивысший уровень энергии, до которого электрон плотно заполняет зону проводимости, величиной μ0. Чем больше электронов упаковано в дно зоны проводимости, тем выше этот уровень μ0.
Аналогично в валентной зоне существует уровень μg. Если одновременно вырождены электроны и дырки, то
(6.17)
При таких условиях электроны могут рекомбинировать только с теми дырками, которые лежат ниже μg. В свою очередь электроны могут быть заброшены в зону проводимости только на уровни выше μ0, потому как остальные уровни уже плотно упакованы (Рисунок - 6.7,в).
При этом случае возможны переходы в интервале частот
или
В этом случае полупроводник может усиливать и генерировать свет в полосе частот
Если поместить такой полупроводник в резонатор Фабри — Перо и создать положительную обратную связь, то при каждом проходе резонатора в полупроводнике полоса частот будет сужаться. Дело в том, что усиление в полосе частот Δv неодинаково. Существует частота максимального усиления, которая лежит в диапазоне Δv и именно на ней происходит максимальное усиление и формируется монохроматическое излучение.
Зависимость энергии электронов проводимости вблизи дна зоны проводимости и энергии дырок вблизи потолка валентной зоны от величины импульса р имеет вид парабол (Рисунок - 6.8), т.е., соответственно
Рисунок - 6.8. Зависимость энергии электронов проводимости и дырок от их импульсов: а — для прямого перехода; б — для непрямого перехода.
Величина т* обозначает эффективную массу электронов и дырок, которая существенно зависит от структуры кристалла. Расстояние между вершинами парабол равно ширине запрещенной зоны Еg.
Различают прямые и непрямые переходы. Если рекомбинация электронно-дырочной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимости на незаполненный уровень в валентной зоне называется прямым. Если рекомбинация электронно-дырочной пары сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход называется непрямым. В этом случае колебания решетки поглощают часть импульса Δр и, соответственно, и энергию ΔЕ.
В этом случае уравнение инверсии населенностей для невырожденного электронно-дырочного газа записывается в виде
Создать в чистых полупроводниках состояние с одновременным вырождением электронов и дырок трудно. Обычно используют два полупроводника n- и р-типов, в каждом из которых электроны и дырки вырождены. В р—n-переходе может выполняться условие инверсии населенностей только при условии прямого напряжения.
Через р—n-переход потекут токи, состоящие из электронов и дырок. В тонком сдое р—n-перехода они рекомбинируют, излучая фотоны
Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в р—n-переходе концентрацию, достаточную для условия вырождения электронов и дырок (Рисунок - 6.9).
Рисунок - 6.9. Энергетические диаграммы р—n-перехода в положение равновесия (а) и при приложении напряжения (б)
Чем выше электрическое поле в р—n-переходе, тем больший ток протекает через р—n-переход. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает поглощение, называется пороговым. На пороге генерации должно выполняться условие
где к— коэффициент усиления на длине активной среды между зеркалами, R — коэффициент отражения зеркал резонатора. При токе выше порогового р—n-переход является усиливающей средой. Введя положительную обратную связь в виде резонатора, из усилителя света можно получить генератор. В качестве резонатора используются гладкие гран полупроводникового кристалла.
Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход, получил название инжекционного лазера.
Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют получить высокую направленность излучения. Состояние инверсии населенности уровней может достигаться тронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.
Наилучший эффект генерации получен на прямоугольных полупроводниках, среди которых ряды изоморфных твердых растворов типа А2В6, А3B6, А3В5, А4В6 и т. п.
Особый интерес вызывают материалы, составляющие изопериодические пары. Это кристаллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. С их помощью методами электронно-лучевой эпитаксии выращиваются бездефектные гетеропереходы. Широкое распространение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур.
Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате излучательной рекомбинации в гетероструктуре, получил название гетеролазера.
Наиболее эффективными оказались полупроводники типа А3В5 с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Наилучшими параметрами обладает гетеролазер на основе двойной гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению областей инверсной заселенности и светового поля. В таких лазерах уже при малом токе накачки можно получить устойчивую генерацию. Резонатором таких лазеров служат грани кристалла, но можно использовать и внешние оптические резонаторы. На Рисунок - 6.10 приведена структура гетеролазера с резонатором в виде сколотых граней кристалла.
Твердые лазерные растворы СаxSn1-xAsyP1-y позволяют получать коротковолновое излучение, а растворы типа 8пР позволяют получать низкопороговые инжекционные лазеры инфракрасного диапазона. Дальняя ИК область (λ > 5 мкм) осваивается с помошью твердых растворов РbSxSе1-x и РbS1-xТе.
Полупроводниковые лазеры могут быть объединены в многоэлементные излучатели — фазированные лазерные монолитные линейки. Мощность излучения в импульсном режиме может достигать значения 105Вт. Модуляцией накачки можно получить модулированное по амплитуде лазерное излучение.
Также создаются гетеролазеры с распределенной обратной связью. В таком типе лазеров одно из зеркал резонатора заменено дифракционной решеткой. С ее помощью можно получить излучение строго на определенных частотах.
Полупроводниковые лазеры находят широкое применение в устройствах обработки информации.
Рисунок - 6.10. Структура ДГС гетеролазера на основе арсенида галлия
В табл. 6.1 приведены некоторые материалы, на основе которых получен эффект генерации и сконструированы полупроводниковые лазеры.
Таблица 6.1. Материалы для полупроводниковых лазеров
Полупроводник |
Рабочая температура, К |
Длина волны излучения, А |
Цвет излучения |
ZnS |
80 |
3300 |
Ультрафиолетовый |
ZnSe |
80 |
4530 |
Фиолетовый |
CdS |
4—300 |
4850 |
Зеленый |
CdSe |
80 |
6100 |
Оранжевый |
CdSe |
80 |
6950 |
Красный |
CdTe |
4—80 |
7900—7960 |
Красный |
GaPAs |
80—300 |
8300—8360 |
Темно-красный |
GaAs |
4—300 |
8200—9000 |
Инфракрасный |
GaSb |
20 |
15300 |
» » |
InAs |
20 |
30080 |
» » |
InSb |
20 |
49590 |
» » |
Те |
20 |
38440 |
» » |
PbS |
4 |
42700 |
» » |
РЬТе |
4 |
64100 |
» » |
PbSе |
4 |
85500 |
» » |