Первые полупроводниковые ОКГ были созданы почти одновременно (в конце 1962 - в 1963г.г.) несколькими группами исследователей в США и группой в составе Багаева, Басова, Вула и др. в СССР. Во всех конструкциях для возбуждения использовался метод инжекции электронов и дырок через p – n переход, предложенный Басовым, Крохиным и Поповым в 1961 году, а в качестве рабочего вещества применялся арсенид галлия (GaAs).
Отличительной чертой полупроводниковых лазеров является высокий КПД (до 100%). Так как длина волны генерации может меняться при изменении химического состава лазерного полупроводникового материала, можно, используя полупроводниковые ОКГ, непрерывно перекрыть диапазон длин волн 0.32,...,32 мкм.
Полупроводниковые ОКГ уступают другим видам лазеров по мощности, монохроматичности и расходимости выходного излучения.
2. УРОВНИ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ.
ПОГЛОЩЕНИЕ И ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА В ПОЛУПРОВОДНИКЕ.
В отличие от отдельных атомов и молекул, полупроводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими полосами (зонами) разрешенных энергетических состояний. Разрешенные зоны отделены друг от друга запрещенной зоной(рис.1).
Электроны в кристалле подчиняются принципу Паули и в энергетических зонах занимают каждый свой уровень. В диэлектриках и полупроводниках на верхнюю энергетическую зону кристалла (зону проводимости) электронов не хватает - зона проводимости не заполнена, нижняя (валентная зона) заполнена полностью или почти полностью. Между ними расположена запрещенная зона.
Ширина запрещенной зоны у полупроводников:
DЕ = Е с – Еv ,
где Еc - "дно" зоны проводимости, а Еv - "потолок" валентной зоны. Ширина запрещенной зоны DЕ – очень важная характеристика полупроводника. . Она определяет как его электропроводность, так и оптическую прозрачность. Ее величина изменяется от 10-3 до 3 эВ.
Рис.1. Энергетические зоны полупроводника.
Электроны в кристалле стремятся занять уровни с минимальной энергией. Однако при достаточно высокой температуре тепловые колебания атомов решетки имеют большую амплитуду и отдельные электроны получают от кристаллической решетки дополнительную энергию, достаточную для их переброса из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны называются электронами проводимости. В валентной зоне при этом образуются дырки. Таким образом, под действием тепловых колебаний решетки в полупроводнике происходит образование пар электрон проводимости – дырка.
Образование такой пары может быть вызвано и другими внешними воздействиями на полупроводник, в частности, воздействием света. Если энергия воздействующего фотона больше ширины запрещенной зоны, т.е. hw > DЕ, то полупроводник поглощает свет, и в нем возникают электронно -
дырочные пары ( внутренний фотоэффект). Для света с энергией кванта hw < DЕ полупроводник прозрачен.
Одновременно с образованием электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит и обратный процесс - рекомбинация электронно-дырочных_пар. Электроны проводимости могут спонтаннопереходить на незанятые уровни валентной зоны, при этом дырка и электрон проводимости исчезают (рекомбинируют). Энергия, потерянная электроном, излучается в виде фотона с энергией
hw = Еn - Еp ,
где Еn и Еp - энергии исчезнувших электрона проводимости и дырки. Помимо спонтанной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике может иметь место и вынужденная рекомбинация под действием света. Электрон может перейти из зоны проводимости в валентную зону под воздействием фотона, энергия которого hw достаточно близка к Еn – Еp . При этом будет излучен вторичный фотон, тождественный по частоте, энергии, направлению распространения и поляризации с фотоном, вызвавшим рекомбинацию. Это означает, что в полупроводнике при определенных условиях возможны усиление и генерация света.
3. ИНВЕРСНАЯ НАСЕЛЕННОСТЬ СОСТОЯНИЙ
В ПОЛУПРОВОДНИКЕ.
В естественных условиях, при отсутствии каких-либо внешних воздействий на полупроводник, электронно-дырочные пары возникают и исчезают в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов. Причем в полупроводнике устанавливается тепловое равновесие электронов проводимости и дырок друг с другом. Оно характеризуется некоторым равновесным количеством электронов проводимости и дырок, которое определяется температурой и шириной запрещенной зоны ( так называемое распределение Ферми). При тепловом равновесии электронов вблизи потолка валентной зоны больше, чем дырок. Поэтому несмотря на то, что вероятность единичного акта образования электронно-дырочной пары с поглощением фотона точно равна вероятности рекомбинации электронно-дырочной пары с испусканием фотона, полупроводник при тепловом равновесии (как и другие вещества) способен лишь поглощать, а не усиливать свет.
Чтобы полупроводник усиливал падающее излучение, необходимо сильно нарушить в нем равновесное состояние, так, чтобы электроны плотно заполнили область, примыкающую ко дну зоны проводимости Еc , а дырки плотно заполнили область у потолка валентной зоны Еp . Такое состояние полупроводника называется вырожденным.
Наивысший уровень энергии ЕFn, до которого электроны плотно заполняют зону проводимости, называется уровнем Ферми для электронов проводимости. Чем больше электронов попало в зону проводимости, тем выше расположен уровень Ферми ЕFn .
Уровень Ферми для дырок ЕFp расположен в валентной зоне и с увеличением числа дырок опускается вниз (рис. 2).
Если в полупроводнике одновременно имеет место электронное и дырочное вырождение, то расстояние между уровнями Ферми больше ширины запрещенной зоны:
EFn - EFp = DEF > DE (1)
В таком полупроводнике электроны из валентной зоны могут перейти в зону проводимости только на свободные уровни, лежащие выше EFn ,а электроны из зоны проводимости могут перейти в валентную зону лишь на уровни в интервале от Еv до EFp .
Рис.2 Энергетические зоны вырожденного полупроводника.
Таким образом, если направить на вырожденный полупроводник электромагнитное излучение с частотой
DE / h < w < DEF / h ,
то такие фотоны не смогут вызвать электронных переходов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. не будут поглощаться. В то же время эти фотоны могут перебросить электроны из зоны проводимости в валентную зону, т.е. вызвать вынужденную рекомбинацию. Такой полупроводник будет усиливать электромагнитное излучение в полосе частот
Dw = wmax - wmin = (DEF - DE ) / h
Следовательно, условие (1) является условием инверсной населенности состояний в полупроводнике.
