Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
Полупроводниковые лазеры. Лазер на р-п-переходе
В собственном полупроводнике в зоне проводимости всегда имеются электроны, термически заброшенные из валентной зоны. При прохождении света через полупроводник электроны из валентной зоны поглощают кванты света и переходят в зону проводимости, если частота падающего света
ν ≥ Еg/h
(Eg - ширина запрещенной зоны, h- постоянная Планка). Следовательно, интенсивность света уменьшится при прохождении через полупроводник. Одновременно падающее на полупроводник излучение стимулирует переходы возбужденных электронов из зоны проводимости в валентную зону. При этом излучаются кванты света (рис.1.). Эти кванты добавляются внешнему излучению при прохождении его через полупроводник, т. е. происходит усиление света.
Переходы, происходящие под воздействием внешнего излучения, называют индуцированными в отличие от спонтанных переходов, происходящих независимо от внешнего излучения. В состоянии термодинамического равновесия число электронов в валентной зоне во много раз больше, чем в зоне проводимости. Следовательно, поглощение света преобладает над усилением. Для усиления света надо создать такие условия, при которых концентрация электронов около дна зоны проводимости будет больше концентрации их вблизи потолка валентной зоны (N2>N1). Такое состояние полупроводника называется состоянием с инверсией населенностей уровней.
Коэффициент усиления света α при прохождении его через полупроводник зависит от разности населенностей верхних и нижних уровней. Поскольку вероятности переходов электронов вверх и вниз равны, то усиление происходит при разности заселенностей верхних и нижних уровней N2-N1 > 0.
К ослаблению света, проходящего через полупроводник, приводят не только переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, но и рассеяние света на различных неоднородностях кристалла. В результате интенсивность света изменяется с расстоянием х внутрь полупроводника по закону
Ф = Ф0ехр(α - χп)х,
где коэффициент χп характеризует потери. Таким образом, полупроводниковый кристалл усиливает внешнее излучение, если в нем существует инверсия населенностей уровней и коэффициент усиления превышает коэффициент потерь (α > χп).
Для того чтобы превратить усилитель в генератор излучения, необходимо ввести обратную положительную связь, т. е. часть излучения с выхода подать на вход. В лазерах для создания обратной связи рабочий кристалл помещают между двумя параллельными зеркалами (1 и 2 на рис. 2). Свет, пройдя через кристалл, усилится в exp(α - χп )l раз, затем отразится от зеркала, пройдет еще раз через кристалл и снова усилится во столько же раз и т. д. Первичные кванты света возникают за счет спонтанных переходов, а затем происходит усиление света при распространении его в кристалле за счет индуцированных переходов.
Следует отметить, что усилитель с положительной обратной связью может стать генератором только тогда, когда усиление превышает все потери излучения в устройстве. Поэтому необходимо учесть потери, вносимые устройством обратной связи, т. е. зеркалами. При отражении от зеркала интенсивность света уменьшается в R раз, где R - коэффициент отражения.
Инверсию населенностей уровней полупроводника можно создать многими методами. Один из них заключается в облучении собственного полупроводника интенсивным светом (оптическая накачка). При этом электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости и скапливаются там. При достаточно большой интенсивности накачки может наступить инверсия населенностей уровней. Другим методом является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости бомбардировкой полупроводника быстрыми электронами. С помощью обоих методов можно получать большие мощности излучения, однако в целом КПД устройств невелик.
Наибольшим КПД и простотой конструкции обладает лазер на р-n-переходе. Рассмотрим, например, наиболее широко распространенную конструкцию лазера на р-n-переходе из арсенида галлия. Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в р-область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того чтобы инжекция электронов в р-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безизлучательная, а следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в р-области, т. е. пп>рр.
Таким образом, для получения состояния с инверсией населенностей в р-области необходима высокая степень легирования примесями обеих областей р-n-перехода.
Рассмотрим, чем отличается излучение светодиода от излучения лазерного диода. В светодиоде излучение является спонтанным, т. е. разные части излучающей области излучают независимо друг от друга. В результате источник излучает совокупность световых волн, распространяющихся во всех направлениях, а интенсивность света убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.
В лазере благодаря использованию оптического резонатора все световые волны, направленные под углом к оси активной области, сразу или после нескольких отражений отклоняются от оси резонатора и не усиливаются. Кроме того, лазерное излучение образуется в результате согласованного индуцированного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону во всей излучающей части р-области, поэтому пространственная когерентность (т. е. направленность) сохраняется во всем поперечном сечении выходящего луча света.
Лучшим материалом для лазерных диодов в настоящее время является арсенид галлия. Толщина излучающей части р-области порядка 2 мкм. Лазерный диод является первым лазером, в котором удалось осуществить прямое преобразование электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Он также имеет наибольший КПД и высокое быстродействие. Лазерные диоды могут применяться в световых локаторах для наблюдения и фотографирования в темноте, в дальномерах, а также для связи, так как в них чрезвычайно просто осуществлять модуляцию светового излучения изменением амплитуды или частоты питающего напряжения.
Хотя теоретически КПД лазерных диодов может приближаться к 100%, практически он намного меньше. Главная причина этого - необходимость в сильном легировании р-п- и n-областей перехода. Одновременно с введением примесей в полупроводнике образуется большое количество дефектов в активной области, что ведет к значительным потерям излучения. Кроме того, дефекты могут образовывать энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Поскольку концентрация примесей в обеих частях р-n-перехода велика, то ширина р-n-перехода мала, а следовательно, носители тока могут из зоны проводимости переходить на эти уровни, а затем туннелировать в валентную зону р-области. Туннельный ток не связан с излучением, и это также ухудшает КПД.
Вследствие этих причин для возникновения индуцированного излучения требуется большая пороговая плотность тока. Большие плотности тока через р-n-переход приводят к деградации параметров лазерных диодов, а также к необходимости создания громоздких систем охлаждения. Поэтому суммарный квантовый выход при комнатной температуре составляет не больше 2 ... 3%. Пороговые плотности токов порядка 10^4 А/см2. Деградация параметров излучения связана с протеканием тока больших плотностей. При этом происходит миграция атомов (ионов) неконтролируемых примесей и образование новых дефектов в излучающей области. Все они увеличивают число центров безызлучательной рекомбинации и уменьшают КПД, к чему также приводит возрастание скоростей поверхностной рекомбинации и утечки тока по поверхности. При работе в режиме максимальной мощности излучения могут возникать трещины в активной области лазера и разрушаться зеркала резонатора.
Литература: И.М.Викулин, В.И.Стафеев. Физика полупроводниковых приборов. М.-1990
Рис.1. Межзонные переходы при действии излучения на полупроводник.
Рис.2. Схема полупроводникового лазера.
русский / english
Главная >> Фотоэффекты, свет >> Полупроводниковые лазеры. Лазер на р-п-переходе
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
