Полупроводниковые лазеры

Излучение в полупроводниках характеризуется тем, что в процессе лазерного усиления принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны с конечным количеством уровней: зона проводимости и валентная зона. При этом испускание фотона произойдет только тогда, когда в зоне проводимости имеется электрон, а в валентной зоне — одновременно и дырка. При термодинамическом равновесии распределение электронов в зоне проводимости и в валентной зоне описывается функцией Ферми — Дирака

; , (5.27)

где Т —абсолютная температура; k — постоянная Больц-мана; , —уровни Ферми для электронов и дырок.

Функции и характеризуют вероятность того, что уровень энергии занят, т.е. вероятность заполнения данного уровня электроном. Тогда функции (1—) и (1—) определяют вероятность того, что данный уровень свободен от электрона, или, что то же самое, занят дыркой. Значит, вероятность одновременного наличия электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне равна произведению(1—). Вероятность обратного совпадения — электрон в валентной зоне, а дырка в зоне проводимости — равна (1—). Обозначим вероятность перехода между зонами проводимости и валентной зоной в единицу времени через для испускания фотона и для поглощения фотона. Тогда скорости испускания и поглощения фотонов можно записать в виде

(5.28)

где А — плотность состояния в зонах; Q — энергия излучения.

Условием усиления излучения является превышение скорости излучения над скоростью поглощения: u_изл > u_погл. Тогда из (5.27) и (5.28) нетрудно получить условие инверсии населенностей при прямых межзонных переходах, т.е. условие возможности лазерного усиления в полупроводнике. Это условие имеет вид

(5.29)

Рис. 5.29. Зонные диаграммы р-п перехода:

а —в состоянии равновесия; б —в режиме генерации

В инжекционных лазерах инверсия населенности достигается при высоких уровнях инжекции, при этом для выполнения условия (5.29) материал хотя бы одной из областей (р или п ) должен быть вырожденным. Энергетическая диаграмма р-п перехода инжекционного лазера в состоянии термического равновесия (при отсутствии смещения на р-п переходе) приведена на (рис. 5.29, а), а в режиме лазерного усиления (при прямом смещении на р-п переходе и плотности тока выше пороговой) — (рис. 5.29, б).

В полупроводниковом лазере наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие механизмы рекомбинации, которые не дают излучения (безизлучательная рекомбинация). К таким механизмам относят рекомбинацию на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударную Оже-рекомбинацию и др. В случае безизлучательной рекомбинации свободного носителя происходит выделение фотона с очень малой энергией. Для генерации когерентного полезного излучения такой носитель потерян. Очевидно, что эффективность лазера тем выше, чем больше доля актов излучательной рекомбинации по сравнению с безизлучательной.