Принцип действия полупроводникового лазера

В соответствии с квантовой теорией в кристаллах полупроводника валентные электроны обычно занимают одну из энергетических зон, называемую валентной зоной (нижний уровень). Для того чтобы в кристалле полупроводника создать пару «электрон — дырка», одному электрону в валентной зоне необходимо сообщить дополнительную энергию, которая передается ему воздействием света, тока или при повышении температуры. В результате электрон переходит в зону с более высокой энергией — в зону проводимости (верхний уровень), что приводит к появлению пары носителей заряда: электрона (в зоне проводимости) и дырки (в валентной зоне). Энергия, необходимая для создания пары электрон — дырка, измеряется шириной запрещенной зоны. Когда возбужденные электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону (а дырки в это же время совершают переход в противоположном направлении), происходит рекомбинация пар электрон — дырка; при этом выделяется энергия в виде квантов светового излучения (фотонов) или квантов энергии термических колебаний решетки кристалла (фононов).

Явление рекомбинационного излучения наблюдается в р-п переходах из мышьяковистого галлия, сурмянистого индия, фосфида индия, сплавов германия с кремнием, карбида кремния, когда прикладывается смещение в прямом направлении, чтобы повысить концентрацию носителей и, следовательно, интенсивность излучения. Действие полупроводникового диода как генератора излучения основано на использовании рекомбинационного излучения, возникающего за счет возбуждения электронов и дырок в полупроводнике при прохождении тока через р-п переход в прямом направлении. Если имеется достаточная концентрация возбужденных, находящихся в зоне проводимости электронов, спонтанное излучение переходит в индуцированное и лазер на полупроводнике начинает генерировать.

Рис. 1 Схема инжекционного лазера с р-n переходом

а — конструкция; б — поперечное распределение интенсивности излучения по активной зоне; 1 — шероховатая поверхность; 2 — оправка; 3 — полированная поверхность; 4 — электрод

Чтобы придать излучаемому свету определенное направление, на двух противоположных сторонах кристалла необходимо поместить параллельные зеркала. Этого можно добиться специальной полировкой противоположных граней кристалла, причем эти две боковые грани кристалла делаются строго параллельными друг другу и перпендикулярными к плоскости р-п перехода. Они образуют резонансную систему лазера. Две другие грани полируются под углом одна к другой, чтобы в направлении этих граней не было излучения. К верхней и нижней частям кристалла, т. е. к областям с р и п проводимостью, подводятся контакты: «плюс» к р, а «минус» — к n области (рис. 1).

Дата добавления: 2015-05-10