ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР полупроводниковый
квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве
рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются
излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями
энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами
кристалла (см. Твёрдое тело). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно)
атомы, слагающие кристаллич. решётку. Это отличие определяет важную особенность
П. л.- малые размеры и компактность (объём кристалла 10^-6
- 10^-2см³). В П. л. удаётся получить показатель оптич.
усиления до 10⁴ см^-1 (см. Усиления оптического
показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны
и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями
П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрич. энергии
в энергию когерентного излучения (до 30-50%); малая инерционность, обусловливающая
широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц); простота
конструкции; возможность перестройки длины волны X, излучения и
наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал
длин волн от 0,32 до 32 мкм.



Люминесценция в полупроводниках. При
рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается
энергия, к-рая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция)
или
передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить
в тепло. Доля излучат. актов рекомбинации у таких полупроводников, как
Ge и Si, очень мала, однако в нек-рых полупроводниках (напр., GaAs, CdS)
при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо
применить к.-л. способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации
избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрич.
полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар
излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и
используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий
диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный
эффект, необходимо создать особое состояние люми-несцирующего кристалла
- состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может
сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине
запрещённой зоны ДЕ полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны
Хhc/ДЕ, где h - Планка постоянная, с-скорость света.

Рис. 1, Энергетические схемы: а - накачки
н излучательной рекомбинации в полупроводнике; б - оптического усиления
при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краёв зон - дна Езоны
проводимости и потолка Еv валентной зоны; ДЕ - ширина запрещённой
зоны, Е^э д
- квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок.



Инверсия населённостей в полупроводниках.
Оптическое
квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если
зона проводимости вблизи её дна Езаполнена электронами
в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка ЕПреобладание
числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается
тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних,
тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы.
Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих
состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью
заполнения меньше 1/2 Если Е^эд
- квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей
относительно переходов с энергией
hv (где v - частота излучения)
выражается формулой:

Для поддержания такого состояния необходима
высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие
излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения
нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

В П. л. применяют след. методы накачки:
1) инжекция носителей тока через р-n-переход (см. Электронно-дырочный
переход), гетеропереход или контакт металл - полупроводник (инжекционные
лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптич. накачка; 4) накачка
путём пробоя в электрич. поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых
двух типов.



Инжекционные лазеры. Лазер на р-п-переходе
представляет собой полупроводниковый диод, у к-рого две плоскопараллельные
поверхности, перпендикулярные р-я-переходу (рис. 2), образуют оптический
резонатор (коэфф. отражения от граней кристалла 20-40%). Инверсия населённостей
достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации
соответствует току 1кА/см²,
а при пониженной температуре
10²А/см², рис. 3). Для получения достаточно
интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Рис. 2. Инжекционный лазер на р-п-переходе.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились
в 1968) представляют собой, напр., двусторонние гетероструктуры (рис. 4).
Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами,
один
из к-рых (типа р-п) служит для инжекции электронов, а второй
(типа р-р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному
растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом
токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация
электронно-дырочных пар и, следовательно, большее

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я