1. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРСНОЙ НАСЕЛЕННОСТИ УРОВНЕЙ
В ИНЖЕКЦИОННОМ ОКГ.
В таком ОКГ используется p-n переход, образованный вырожденными полупроводниками с разными типами проводимости. Энергетическая диаграмма такого p-n перехода в состоянии равновесия (при отсутствии внешнего напряжения, а следовательно, и тока через p-n переход) изображена на рис.3.
Уровни Ферми ЕFn и ЕFp в обеих областях совпадают. Приближенно можно считать, что в n - области электроны проводимости располагаются на уровнях между Ес и ЕFn , а в р - области дырки между Еv и ЕFp . В состоянии равновесия не может быть инверсной населенности.
При приложении к p-n переходу прямого напряжения (рис.4) потенциальный барьер понижается и через p-n переход протекает ток. В некоторой области перехода шириной d становится одновременно велико количество электронов проводимости в группе уровней DЕc и дырок - в группе уровней DЕv. Поэтому в области d имеем инверсную населенность.
Инжектированные электроны рекомбинируют в области p-n перехода. Рекомбинация электронно-дырочных пар сопровождается спонтанным излучением на частоте w > DE / h.
С увеличением внешнего прямого напряжения растут концентрации электронов и дырок в области d , увеличивается инверсия и число спонтанных переходов. При некотором пороговом напряжении (или пороговом токе), когда вынужденное излучение, вызванное спонтанным , будет достаточно для компенсации потерь излучения в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, образующих резонатор, наступает генерация.
Пороговое значение тока сильно зависит от температуры и концентрации примесей. Понижение температуры облегчает вырождение полупроводника и, следовательно, уменьшает пороговый ток.
2. КОНСТРУКЦИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ДИОДА
НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА GaAs.
ОКГ на арсениде галлия (GaAs) является наиболее распространенным инжекционным лазером. Р-n переход в лазерном диоде на GaAs создается обычно путем диффузии акцепторных примесей (Zn, Cd и др.) в сильно легированный донорными примесями ( Te, Se и др.) арсенид галлия. Другой способ получения p-n перехода - наращивание легированных слоев на подложках с противоположными типами проводимости (эпитаксиальные структуры). Конструкция лазерного диода довольно проста. Две грани полупроводникового диода перпендикулярны к плоскости p-n перехода и образуют после полировки зеркала резонатора. Две другие - наклонены к плоскости p-n перехода, чтобы не создавать в этом направлении условий самовозбуждения (рис.5). Размеры лазерного диода - десятые доли миллиметра.
Излучение выходит из узкой области p-n перехода. Ввиду малых размеров излучающей области выходное излучение инжекционного лазера имеет большую угловую расходимость - порядка дифракционной расходимости (дифракция Фраунгофера на щели) и составляет в плоскости p-n перехода »100 , в перпендикулярной плоскости »15¸ 250 .
Рис.5. Лазерный диод.
3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЖЕКЦИОННОГО
ЛАЗЕРА НА GaAs.
Спектр излучения инжекционного ОКГ зависит от плотности тока инжекции. С увеличением тока спектр спонтанного излучения сужается, и при достижении порога генерации энергия сосредотачивается в одной из мод резонатора. Положение спектральной линии излучения полупроводника и параметры резонатора сильно зависят от температуры. Поэтому в генераторе возбуждаются поочередно различные типы колебаний, что воспринимается как многомодовая генерация. Длина волны излучения ОКГ на GaAs составляет 0.84 ¸ 0.94 мкм. Ширина спектра излучения в режиме индуцированного излучения 6 ¸ 8 нм.
4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ОКГ
Пороговая плотность инжекционного тока (в А/см2 ), при котором возникает генерация полупроводникового лазера, приближенно вычисляется по формуле:
a0 -коэффициент потерь вследствие поглощения излучения
в p- и n- областях с каждой стороны перехода.
ag= 0.42´l / n´d×l - коэффициент дифракционных потерь из-за
малости активной области p-n перехода,
l - длина волны излучения [см],
L - длина резонатора [см],
r - коэффициент отражения зеркал резонатора.
l – длина активной области p-n перехода [см]
Типичные значения пороговой плотности тока при низких температурах составляют 102 А/см2 , для комнатных температур - 104 ¸ 105 А/см2 . Увеличение пороговой плотности тока при увеличении температуры объясняется следующим. Одним из важнейших параметров лазерных полупроводниковых диодов является квантовый выход излучения hкв. (отношение числа испускаемых фотонов к общему числу актов рекомбинации). Величина hкв. обратно пропорциональна величине поглощения излучения в кристалле. В свою очередь поглощение излучения растет с увеличением линейных размеров кристалла, с ростом температуры, а также зависит от вида излучения. Спонтанное излучение распространяется изотропно в пространстве и, следовательно, поглощается больше, чем индуцированное.
Типичные значения:
для hкв.спон.:
при низких температурах 0.1
при высоких температурах 0.001 ¸ 0.01
для hкв.инд.:
при низких температурах 1.0
при комнатных температурах 0.05¸ 0.1
Полная мощность излучения полупроводникового диода выше порогового тока описывается формулой:
Ризл. = hкв.спон × Jпор. × U + hкв.инд × (J – Jпор.) × U (3)
где U = J×R - падение напряжения импульса накачки на внутреннем сопротивлении диода. Если ток накачки не превышает порогового значения, то второе слагаемое, характеризующее индуцированное излучение в формуле (3), равно нулю и формула приобретает вид:
