Метод создания инверсии населенностей полупроводниковых лазеров.

Основной проблемой создания лазера на полупроводниках, как и любого другого, является получение состояния с инверсией населенностей, обеспечивающей усиление света резонансной частоты перехода. Определим условие достижения инверсной населенности в полупроводнике. Для этого необходимо потребовать, чтобы в нем индуцированное излучение преобладало над поглощением.

Рассмотрим два уровня полупроводника, первый из которых лежит в валентной зоне и имеет энергию , а второй с энергией — в зоне проводимости. Переходы между этими уровнями будут определять поглощение или излучение с квантами энергии .

Среднее число электронов на уровнях 1 и 2 определяется функциями распределения Ферми-Дирака

Количество излучаемых фотонов пропорционально числу электронов на верхнем уровне и числу пустых мест, т. е числу дырок () на нижнем уровне. Количество поглощенных фотонов, наоборот, пропорционально числу электронов на нижнем уровне и числу дырок () на верхнем. Энергия, излучаемая полупроводником за счет индуцированных переходов , пропорциональна произведению , а поглощаемая — величине . Отсюда следует, что индуцированное излучение будет превышать потери, если , т. е. , или с учетом выражения для функции Ферми и имеем

Считая уровни 2 и 1 совпадающими с границами разрешенных зон, условие инверсной населенности в полупроводнике для межзонных переходов запишем в виде , где — ширина запрещенной зоны.

Таким образом, в полупроводнике, в котором создано состояние инверсии населенностей, расстояние между квазиуровнями Ферми для электронов и дырок должно превышать ширину запрещенной зоны. Это означает следующее: хотя бы один из квазиуровней Ферми должен находиться в разрешенной зоне, т. е. должно иметь место состояние вырождения для электронов или для дырок, или одновременно для тех и других.

Рис. 1.3 Энергетическая схема полупроводника с

вырождением электронов и дырок

На рис. 1.3 показана энергетическая схема полупроводника, в котором создано вырождение для электронов и для дырок. Заштрихованные области соответствуют плотному заполнению состояний электронами. Свет с частотой, лежащей в пределах от до , при прохождении через такой полупроводник будет усиливаться благодаря индуцированным переходам электронов из зоны проводимости в валентную зону.

Для создания инверсии населенностей в полупроводниках в настоящее время используется несколько способов возбуждения: инжекция носителей тока через электронно-дырочный переход, электронное возбуждение, оптическое возбуждение, ударная ионизация.

Наиболее широкое распространение получил метод инжекции через n — p -переход неравновесных носителей тока. Преимуществом этого метода возбуждения является простота в сочетании с высоким коэффициентом полезного действия, величина которого теоретически может быть близкой к 100 %. Полупроводниковые лазеры, в которых для создания инверсной населенности применяется метод инжекции неосновных носителей через р — n -переход, получили название инжекционных.

Рис. 1.4 Энергетические диаграммы p-n перехода вырожденных полупроводников в отсутствие внешнего напряжения (а) и при его наличии (б)

В инжекционных лазерах используется р — n -переход вырожденных полупроводников. Как показывает энергетическая диаграмма p — n -перехода вырожденных полупроводников в отсутствие внешнего напряжения (рис. 1.4, а), уровни Ферми для р - и n -областей совпадают. При этом, естественно, условие не выполняется и инверсия населенностей отсутствует. Последнее означает, что в любой области полупроводника населенность электронных уровней в зоне проводимости меньше населенности дырок в валентной зоне Возникновению инверсии населенностей препятствует образующийся на границе полупроводников потенциальный барьер, преграждающий перемещение электронов из n -области в зону проводимости p -полупроводника и дырок из p -области в валентную зону n -полупроводника. Для получения состояния с инверсией населенностей к р — n -переходу нужно приложить напряжение . При приложении к p — n -переходу напряжения U в пропускном направлении потенциальный барьер, уменьшается на величину eU и электроны из n -области и дырки из p -области устремляются через переход навстречу друг другу. В р — n -переходе в слое, толщиной порядка диффузионной длины, образуется неравновесная концентрация носителей тока. Квазиуровни Ферми, характеризующие концентрацию электронов и дырок в области перехода, мало чем отличаются от соответствующих уровней Ферми в электронной и дырочной частях. При приложении в прямом направлении напряжения (рис. 1.4, б) в р — n -переходе образуется активная область с инверсией населенностей, содержащая одновременно вырожденные электроны и дырки. Теория показывает, что ширина активной области имеет величину порядка диффузионной длины носителей тока, и составляет несколько микрон.