Расскажи друзьям!

Полупроводниковые лазеры

1. Ââåäåíèå.

Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû îòëè÷àþòñÿ îò ãàçîâûõ è òâåðäîòåëüíûõ òåì, ÷òî èçëó÷àþùèå ïåðåõîäû ïðîèñõîäÿò â ïîëóïðîâîäíèêîâîì ìàòåðèàëå íå ìåæäó äèñêðåòíûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè ñîñòîÿíèÿìè ýëåêòðîíà, à ìåæäó ïàðîé øèðîêèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí. Ïîýòîìó ïåðåõîä ýëåêòðîíà èç çîíû ïðîâîäèìîñòè â âàëåíòíóþ çîíó ñ ïîñëåäóþùåé ðåêîìáèíàöèåé ïðèâîäèò ê èçëó÷åíèþ, ëåæàùåìó â îòíîñèòåëüíî øèðîêîì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå è ñîñòàâëÿþùåìó íåñêîëüêî äåñÿòêîâ íàíîìåòðîâ, ÷òî íàìíîãî øèðå ïîëîñû èçëó÷åíèÿ ãàçîâûõ èëè òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðîâ.

2. Ñîçäàíèå èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè â ïîëóïðîâîäíèêàõ.

Ðàññìîòðèì ñîáñòâåííûé ïîëóïðîâîäíèê.  óñëîâèÿõ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ âàëåíòíàÿ çîíà ïîëóïðîâîäíèêà ïîëíîñòüþ çàïîëíåíà ýëåêòðîíàìè, à çîíà ïðîâîäèìîñòè ïóñòà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íà ïîëóïðîâîäíèê ïàäàåò ïîòîê êâàíòîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, ýíåðãèÿ êîòîðûõ ïðåâûøàåò øèðèíó çàïðåùåííîé çîíû hv>Eg. Ïàäàþùåå èçëó÷åíèå ïîãëîùàåòñÿ â âåùåñòâå, òàê êàê îáðàçóþòñÿ ýëåêòðîííî-äûðî÷íûå ïàðû. Îäíîâðåìåííî ñ ïðîöåññîì îáðàçîâàíèÿ ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð ïðîòåêàåò ïðîöåññ èõ ðåêîìáèíàöèè, ñîïðîâîæäàþùèéñÿ îáðàçîâàíèåì êâàíòà ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Ñîãëàñíî ïðàâèëó Ñòîêñà - Ëþììëÿ ýíåðãèÿ èçëó÷åííîãî êâàíòà ìåíüøå ïî ñðàâíåíèþ ñ ýíåðãèåé ãåíåðèðóþùåãî êâàíòà. Ðàçíèöà ìåæäó ýòèìè ýíåðãèÿìè ïðåîáðàçóåòñÿ â ýíåðãèþ êîëåáàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àòîìîâ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè.  óñëîâèÿõ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ âåðîÿòíîñòü ïåðåõîäà ñ ïîãëîùåíèåì ôîòîíà (âàëåíòíàÿ çîíà - çîíà ïðîâîäèìîñòè) ðàâíà âåðîÿòíîñòè èçëó÷àòåëüíîãî ïåðåõîäà (çîíà ïðîâîäèìîñòè - âàëåíòíàÿ çîíà).

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â ðåçóëüòàòå êàêîãî-òî âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ ïîëóïðîâîäíèê

âûâåäåí èç ñîñòîÿíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, ïðè÷åì â íåì ñîçäàíû îäíîâðåìåííî âûñîêèå êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ â çîíå ïðîâîäèìîñòè è äûðîê â âàëåíòíîé çîíå. Ýëåêòðîíû ïåðåõîäÿò â ñîñòîÿíèå ñ íåêîòîðîé ýíåðãèåé Fn âáëèçè ïîòîëêà âàëåíòíîé çîíû. Ðàññìàòðèâàåìàÿ ñèòóàöèÿ èëëþñòðèðóåòñÿ äèàãðàììàìè, ïðèâåäåííûìè íà ðèñ. 1. Òàê êàê âñå ñîñòîÿíèÿ âáëèçè äíà çîíû ïðîâîäèìîñòè çàïîëíåíû ýëåêòðîíàìè, à âñå ñîñòîÿíèÿ ñ ýíåðãèÿìè âáëèçè ïîòîëêà âàëåíòíîé çîíû çàïîëíåíû äûðêàìè, òî ïåðåõîäû ñ ïîãëîùåíèåì ôîòîíîâ, ñîïðîâîæäàþùèåñÿ óâåëè÷åíèåì ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ ñòàíîâÿòñÿ íåâîçìîæíûìè. Åäèíñòâåííî âîçìîæíûìè ïåðåõîäàìè ýëåêòðîíîâ â ïîëóïðîâîäíèêå â ðàññìàòðèâàåìûõ óñëîâèÿõ ÿâëÿþòñÿ ïåðåõîäû çîíà ïðîâîäèìîñòè - âàëåíòíàÿ çîíà, ñîïðîâîæäàþùèåñÿ ðåêîìáèíàöèåé ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð è èñïóñêàíèåì ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ.  ïîëóïðîâîäíèêå ñîçäàþòñÿ óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ ïðîèñõîäèò óñèëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû. Èíûìè ñëîâàìè, êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ ïîëó÷àåòñÿ îòðèöàòåëüíûì, à ðàññìàòðèâàåìàÿ ñèòóàöèÿ îòâå÷àåò ñîñòîÿíèþ ñ èíâåðñíîé ïëîòíîñòüþ íàñåëåííîñòè.

Ïîòîê êâàíòîâ èçëó÷åíèÿ, ýíåðãèÿ êîòîðûõ íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ îò hv=Ec-Ev äî

hv=Fn-Fp , ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ÷åðåç âîçáóæäåííûé ïîëóïðîâîäíèê áåñïðåïÿòñòâåííî.

Äëÿ ðåàëèçàöèè ïðîöåññà èçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè íåîáõîäèìî âûïîëíèòü äâà óñëîâèÿ. Âî-ïåðâûõ, ýëåêòðîí è äûðêà äîëæíû ëîêàëèçîâàòüñÿ â îäíîé è òîé æå òî÷êå êîîðäèíàòíîãî ïðîñòðàíñòâà. Âî-âòîðûõ ýëåêòðîí è äûðêà äîëæíû èìåòü îäèíàêîâûå ïî çíà÷åíèþ è ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåííûå ñêîðîñòè. Èíûìè ñëîâàìè, ýëåêòðîí è äûðêà äîëæíû áûòü ëîêàëèçîâàíû â îäíîé è òîé æå òî÷êå k-ïðîñòðàíñòâà. Òàê êàê èìïóëüñ îáðàçóþùåãîñÿ â ðåçóëüòàòå ðåêîìáèíàöèè ýëåêòðîííî-äûðî÷íîé ïàðû ôîòîíà çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ïî ñðàâíåíèþ ñ êâàçèèìïóëüñèìè ýëåêòðîíà è äûðêè, òî äëÿ âûïîëíåíèÿ çàêîíà ñîõðàíåíèÿ êâàçèèìïóëüñà òðåáóåòñÿ îáåñïå÷èòü ðàâåíñòâî êâçèèìïóëüñîâ ýëåêòðîíà è äûðêè, ó÷àñòâóþùèõ â àêòå èçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè.

Îïòè÷åñêèì ïåðåõîäàì ñ ñîõðàíåíèåì êâàçèèìïóëüñà ñîîòâåòñòâóþò âåðòèêàëüíûå â k-ïðîñòðàíñòâå (ïðÿìûå) ïåðåõîäû. Ñîõðàíåíèå êâàçèèìïóëüñà â ïðîöåññå èçëó÷àòåëüíîãî ïåðåõîäà ìîæåò ðàññìàòðèâàòñÿ êàê êâàíòîìåõàíè÷åñêîå ïðàâèëî îòáîðà (â òîì ñëó÷àå, êîãäà â àêòå èçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè íå ïðèíèìàþò ó÷àñòèå òðåòüè ÷àñòèöû, íàïðèìåð, ôîíîíû èëè àòîìû ïðèìåñåé).Íåâåðòèêàëüíûå â k-ïðîñòðàíñòâå (íåïðÿìûå) ïåðåõîäû èìåþò çíà÷èòåëüíî ìåíüøóþ âåðîÿòíîñòü ïî ñðàâíåíèþ ñ ïðÿìûìè ïåðåõîäàìè, òàê êàê â ýòîì ñëó÷àÿ òðåáóåòñÿ ñáàëàíñèðîâàòü íåêîòîðûé ðàçíîñòíûé êâàçèèìïóëüñ dk (ðèñ. 2).

Òàêèì îáðàçîì äëÿ ïîëó÷åíèÿ èçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè íåîáõîäèì ïðÿìîçîííûé ïîëóïðîâîäíèê, íàïðèìåð, GaAs. Âîîáùå, ïðèäåðæèâàÿñü ñòðîãîé òåîðèè ìîæíî äîêàçàòü, ÷òî èíâåðñíàÿ íàñåëåííîñòü âîçìîæíà ëèøü ïðè óñëîâèè Ec-Eg<Fn-Fp.

Øèðîêî èñïîëüçóåìûìè íà ïðàêòèêå ñïîñîáàìè ñîçäàíèÿ èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè ÿâëÿþòñÿ: 1) âîçáóæäåíèå çà ñ÷åò èíæåêöèè íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé ÷åðåç p-n - ïåðåõîä; 2) âîçáóæäåíèå ýëåêòðîííûì ëó÷îì; 3) âîçáóæäåíèå â ñèëüíîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå.

3. Ëàçåðû íà ãåòåðîïåðåõîäàõ.

Íàèáîëåå ëåãêî è ýôôåêòèâíî èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè äîñòèãàåòñÿ â p—n-ïåðåõîäàõ çà ñ÷åò èíæåêöèè ýëåêòðîíîâ.

Èçâåñòíî, ÷òî â ñèëüíîëåãèðîâàííûõ (âûðîæäåííûõ) ïîëóïðîâîäíèêàõ, êîãäà îäíîìó è òîìó æå çíà÷åíèþ ýíåðãèè ñîîòâåòñòâóþò ðàçëè÷íûå ýëåêòðîííûå èëè äûðî÷íûå ñîñòîÿíèÿ, â p- è n-îáëáëàñòÿõ óðîâíè Ôåðìè íàõîäÿòñÿ â ïðåäåëàõ ðàçðåøåííûõ çîí è ïðè òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ýòè óðîâíè äëÿ ýëåêòðîíîâ è äûðîê ñîâïàäàþò (ðèñ. 3, à).  îáëàñòè p—n-ïåðåõîäà îáðàçóåòñÿ ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð, íå ïîçâîëÿþùèé ïåðåõîäèòü îñíîâíûì íîñèòåëÿì èç çîíû â çîíó. Åñëè æå ê ïåðåõîäó ïðèëîæèòü íàïðÿæåíèè U â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, òî ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð â îáëàñòè p—n-ïåðåõîäà óìåíüøàåòñÿ íà çíà÷åíèå ýíåðãèè, ñîîòâåòñòâóþùåé ýòîìó íàïðÿæåíèþ. Êàê ïðàâèëî, ýòî íàïðÿæåíèè îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ê ïåðåõîäó, âñëåäñòâèå ÷åãî ðàâíîâåñèå íîñèòåëåé òîêà íàðóøàåòñÿ. Åñëè ïðè òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîíîâ è äûðîê ìîæíî áûëî îïèñàòü ñ ïîìîùüþ êâàçèóðîâíÿ Ôåðìè, òî ïðè íàëè÷èè ïðèëîæåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ çàïîëíåíèå ñîñòîÿíèé íóæíî ðàññìàòðèâàòü îòäåëüíî äëÿ çîíû ïðîâîäèìîñòè è îòäåëüíî äëÿ âàëåíòíîé çîíû. Ïðè âêëþ÷åíèè ïðÿìîãî ñìåùåíèÿ âîçíèêàåò äèôôóçèîííûé ïîòîê ýëåêòðîíîâ ÷åðåç p—n-ïåðåõîä, êîòîðûé ñòðåìèòñÿ ïîäíÿòü êâàçèóðîâåíü Ôåðìè Fn äëÿ ýëåêòðîíîâ â p—n-îáëàñòè äî åãî óðîâíÿ â n-îáëàñòè. Èíæåêòèðîâàííûå ýëåêòðîíû ïîñëå äèôôóíäèðîâàíèÿ íà íåáîëüøîå ðàññòîÿíèå, îïðåäåëÿåìîå äèôôóçèîííîé äëèííîé, ðåêîìáèíèðóþò ñ äûðêàìè; â ðåçóëüòàòå âîçíèêàåò ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå, ïðè êîòîðîì ñêîðîñòü ðåêîìáèíàöèè ýëåêòðîíîâ â òî÷íîñòè ñáàëàíñèðîâàíà ñêîðîñòüþ èõ èíæåêöèè. Ñîâåðøåííî àíàëîãè÷íû ðàññóæäåíèÿ è äëÿ äûðîê â âàëåíòíîé çîíå. Ïðè íàëè÷èè ñòàöèîíàðíîãî ñîñòîÿíèÿ ïîëîæåíèå êâàçèóðîâíåé Ôåðìè äëÿ äâóõ òèïîâ íîñèòåëåé â îáëàñòè ïåðåõîäà ìåíÿåòñÿ (ðèñ. 3, á). Îñíîâíûå íîñèòåëè âûòÿãèâàþòñÿ èç êîíòàêòà, ÷òîáû îáåñïå÷èòü óñëîâèå íåéòðàëüíîñòè.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ëàçåðíûå äèîäû â îñíîâíîì èçãîòîâëÿþò èç GaAs èëè Ga1-xAlxAs. Ñòðóêòóðà ëàçåðíîãî äèîäà íà p—n-ïåðåõîäå ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 4. Îáû÷íî p—n-ïåðåõîä

ôîðìèðóåòñÿ ïóòåì ýïèòîòñèàëüíîãî âûðàùèâàíèÿ ñëîÿ p-òèïà íà ïîäëîæêå n-òèïà. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê ÿâëÿåòñÿ èñòî÷íèêîì ýíåðãèè íàêà÷êè, íåîáõîäèìîé äëÿ ñîçäàíèÿ èíâåðñèè íàñåëåííîñòè â àêòèâíîé çîíå, ïðèìûêàþùåé ê p—n-ïåðåõîäó. Äâå ïàðàëëåëüíûå òîðöåâûå ïîâåðõíîñòè èçãîòàâëèâàþòñÿ ïóòåì ñêîëà ïî êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîé îñè äëÿ ðàáîòû â êà÷åñòâå çåðêàë ðåçîíàòîðà è ñîçäàíèÿ ïîëîæèòåëüíîé îïòè÷åñêîé îáðàòíîé ñâÿçè, íåîáõîäèìîé äëÿ ãåíåðàöèè èçëó÷åíèÿ.  ñèëó áîëüøîãî ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ îò ãðàíåé ñîñòàâëÿåò 30—35%. Áîêîâûå ãðàíè ëàçåðíîãî êðèñòàëëà èìåþò íåðîâíîñòè, äëÿ òîãî ÷òîáû ïîäàâèòü ïîïåðå÷íîå íåæåëàòåëüíîå ðàñïðîñòðàíåíèå ñâåòà.

Ê îñíîâíûì ïàðàìåòðàì ëàçåðíîãî äèîäà îòíîñÿòñÿ ñïåêòð ÷àñòîò èçëó÷åíèÿ (îïòè÷åñêèå ìîäû), ïîðîãîâûé òîê, âûõîäíàÿ ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ è ýôôåêòèâíîñòü ðàáîòû. Êîãäà òîê ïðîõîäèò ÷åðåç ëàçåðíûé äèîä , òî ñâåò ãåíåðèðóåòñÿ çà ñ÷åò èíâåðñèè íàñåëåííîñòè ïîñðåäñòâîì ñïîíòàííîãî è ñòèìóëèðîâàííîãî èçëó÷åíèé. Âñëåäñòâèå îòðàæåíèÿ îò òîðöîâ ñâåò ìíîãîêðàòíî ïðîõîäèò ÷åðåç àêòèâíóþ îáëàñòü è ïðåèìóùåñòâåííî óñèëèâàåòñÿ ñòèìóëèðîâàííûì èçëó÷åíèåì. Âíóòðè ëàçåðíîãî äèîäà óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòîÿ÷àÿ âîëíà ñ öåëûì ÷èñëîì ïîëóâîëí ìåæäó òîðöåâûìè ïîâåðõíîñòÿìè. Ìîäîâîå ÷èñëî m çàäàåòñÿ ÷èñëîì ïîëóâîëí

m=2Ln/Lw ,

ãäå L — ðàññòîÿíèå ìåæäó òîðöàìè; n — ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ; Lw —äëèííà âîëíû èçëó÷åíèÿ â âàêóóìå. Ìîäîâîå ðàçäåëåíèå ìîæíî óñòàíîâèòü, âçÿâ ïðîèçâîäíóþ dm/dLw . Òîãäà

dm/dLw=-2Ln/ Lw2+(2L/ Lw)(dn/ dLw).

Ïðè dm=-1, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ïîòåðå îäíîé ïîëóâîëíû â ðåçîíàòîðå, ïîëó÷èì âûðàæåíèå äëÿ ìîäîâîãî ðàçäåëåíèÿ:

dLw= dLw2/{2L[n- Lw(dn/ dLw)]}.

Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ëàçåðíîãî äèîäà ïîêàçàí íà ðèñ. 5. Îáû÷íî ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî

ïðîäîëüíûõ ìîä , èìåþùèõ äëèíû âîëí âáëèçè ïèêà ñïîíòàííîé ýìèññèè. Ìîäîâîå ðàçäåëíèå äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà íà îñíîâå GaAs ñîñòàâëÿåò dLw =0.3 íì. Äëÿ òîãî ÷òîáû ëàçåð ðàáîòàë â îäíîìîäîâîì ðåæèìå, íåîáõîäèìî êàêèì-ëèáî ñïîñîáîì ïîäàâèòü íåæåëàòåëüíûå áîêîâûå ìîäû, îñòàâèâ îñíîâíóþ öåíòðàëüíóþ.

Ëàçåðíûé äèîä íå ñðàçó íà÷èíàåò èçëó÷àòü ïðè ïðèëîæåíèè ê íåìó íàïðÿæåíèÿ îò âíåøíåãî èñòî÷íèêà. Ïðè ìàëîì òîêå èìååò ìåñòî ñïîíòàííîå èçëó÷åíèå (ðèñ. 5) ñ øèðèíîé ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ â íåñêîëüêî ñîò ìèêðîìåòðà. Ïî ìåðå íàðàñòàíèÿ òîêà íàêà÷êè â îáëàñòè p—n-ïåðåõîäà ñîçäàåòñÿ âûñîêàÿ ñòåïåíü èíâåðñèè íàñåëåííîñòè è èçëó÷àåòñÿ áîëüøå ñâåòà. Îòäåëüíûå ôîòîíû ìíîãîêðàòíî ïðîõîäÿò ñòðîãî â ïëîñêîñòè p—n-ïåðåõîäà è ïåðïåíäèêóëÿðíî ê òîðöàì äèîäà óñèëèâàþòñÿ. Ñ âîçðàñòàíèåì òîêà íàêà÷êè èñïóñêàåìîå äèîäîì èçëó÷åíèå ñóùåñòâåííî ñóæàåòñÿ îäíîâðåìåííî ïî øèðèíå ñïåêòðà è ïî ïðîñòðàíñòâåííîé ðàñõîäèìîñòè. Êîãäà âîçíèêàåò èíäóöèðîâàííîå èçëó÷åíèå, èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ çà ñ÷åò îáðàçîâàíèÿ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð â åäèíèöó âðåìåíè. Ñïîíòàííîå èçëó÷åíèå ïîäàâëÿåòñÿ âñëåäñòâèå òîãî, ÷òî îáðàçîâàâøèåñÿ ïåðâîíà÷àëüíî ôîòîíû ïîâòîðÿþò ñåáÿ ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç àêòèâíóþ îáëàñòü. Èçëó÷åíèå ëàçåðíîãî äèîäà, ïîëó÷åííîå ïðè ïëîòíîñòÿõ òîêà âûøå ïîðîãîâîãî, ÿâëÿþòñÿ êîãåðåíòíûìè. Ïðè ýòîì ôîðìà êðèâîé ñïåêòðàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðåçêî èçìåíÿåòñÿ îò øèðîêîé êðèâîé ðàñïðåäåëåíèÿ ñïîíòàííîé ýìèññèè 1 ê êðèâîé ñ íåñêîëüêèìè óçêèìè ìîäàìè 2 (ðèñ. 5).

Çíà÷åíèå ïîðîãîâîãî òîêà â çàâèñèìîñòè îò ïðèðîäû ìàòåðèàëà è ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ìîæíî ïîëó÷èòü èç ñëåäóþùèõ ðàññóæäåíèé. Ïóñòü â îáëàñòè p—n-ïåðåõîäà ñóùåñòâóåò ñâåòîèçëó÷àþùèé ñëîé òîëùèíû D , êîòîðûé áîëüøå òîëùèíû d ñëîÿ ñ èíâåðñíîé íàñåëåííîñòüþ. Òîãäà ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èç âñåõ ñóùåñòâóþùèõ ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð òîëüêî ÷àñòü d/D îñòàåòñÿ â àêòèâíîé îáëàñòè è ìîæåò ó÷àñòâîâàòü â èíäóöèðîâàííîì èçëó÷åíèè.

Ïîëîæèì, ÷òî ñâåòîâàÿ âîëíà ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â êðèñòàëëå è íà êàæäóþ òîðöåâóþ ïîâåðõíîñòü ïàäàåò ñâåòîâîé ïîòîê ìîùíîñòüþ Ps , à êîýôôèöèåíò îòðàæåíèè îò òîðöà p. Ïðè íàëè÷èè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèçâåäåíèå pPs ýêñïîíåíöèàëüíî óâåëè÷èâàåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò äëèíû àêòèâíîé çîíû L. Ñóùåñòâóþùèå ïîòåðè ñâåòîâîé âîëíû çíà÷èòåëüíî ïåðåêðûâàþòñÿ ëàçåðíûì óñèëåíèåì çà ñ÷åò èíäóöèðîâàííîãî èçëó÷åíèÿ. Êàæäûé òîðåö äèîäà èçëó÷àåò ñâåò ìîùíîñòüþ Pâûõ/2=(1-p)Ps.. Åñëè µ [ñì-1[ñì-1] — êîýôôèöèåíò ïîòåðü äëÿ âîëíû ïðè åå ðàñïðîñòðàíåíèè â êðèñòàëëå, à H [ñì-1] — êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ, òî ìîùíîñòü â çàâèñèìîñòè îò ïðîéäåííîãî âîëíîé ðàññòîÿíèÿ âäîëü àêòèâíîé îáëàñòè áóäåò

P=pPsexp[H(d/D)-µ]z.

Óñèëåíèå âîëíû ïðîèñõîäèò òîëüêî â îáëàñòè ñ èíâåðñíîé íàñåëåííîñòüþ, ïîýòîìó âåëè÷èíó Í íåîáõîäèìî óìíîæèòü íà d/D, â òî âðåìÿ êàê ïîòåðè èìåþò ìåñòî ïî âñåìó îáúåìó è ïîýòîìó êîýôôèöèåíò µ íå èìååò òàêîãî ìíîæèòåëÿ. Òîãäà ïðè ïðîõîæäåíèè êðèñòàëëà äëèííîé L áóäåì èìåòü:

P=pPsexp[H(d/D)-µ]L;

ln(1/p)=[H(d/d)-µ]L.

Òàêèì îáðàçîì, óñëîâèå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èìååò âèä

H(d/D)=µ+(1/L) ln(1/p). (1)

Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ H ñâÿçàí ñ ïëîòíîñòüþ èíæåêòèðîâàííîãî òîêà. Âûðàæåíèå äëÿ âåëè÷èíû Í áóäåò

H=gLw2I/(8¶en2dV), (2)

ãäå äëÿ GaAs ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå êâàíòîâàÿ ýôôåêòèâíîñòü g=0.7 , äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ â âêóóìå Lw=9.0·10-6ñì, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ n=3.34 ïðè Lw ; V — øèðèíà ïîëîñû ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ, V=1.5·1013 c-1; e — çàðÿä ýëåêòðîíà; d —òîëùèíà àêòèâíîé îáëàñòè, d=10-4 ñì; I — ïëîòíîñòü èíæåêòèðóåìîãî òîêà.

Âûðàæåíèå (2) ñïðàâåäëèâî äëÿ äîïîðîãîâîãî òîêà. Ïîäñòàâëÿÿ (2) â (1), ïîó÷èì

(gLw2I)/(8¶en2VD)=µ+(1/L) ln(1/p). (3)

Ëåâàÿ ÷àñòü â âûðàæåíèè (3) îïèñûâàåò óñèëåíèå âîëíû çà îäèí ïðîõîä, à ïðàâàÿ ÷àñòü — ïîòåðè . Èç (3) íåéäåì çíà÷åíèå ïîðîãîâîãî òîêà, äîñòàòî÷íîå äëÿ ïîêðûòèÿ ïîòåðü:

I=(8¶en2VD)/(gLw2I)(µ+(1/L) ln(1/p)). (4)

Cëàãàåìîå (1/L) ln(1/p) îïðåäåëÿåò ïîòåðè íà èçëó÷åíèå. Êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ìîæåò áûòü âûðàæåí ÷åðåç êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ T=1-p, è òîãäà ðàçëîæåíèå

ln[1/(1-T)] â ðÿä èìååò âèä

(1/L) ln(1/p)=(1/L) ln[1/(1-T)]=(1/L) [T-(T2/2)+ (T3/3)- (T4/4)+...].

Ïðèíåáðåãàÿ ÷ëåíàìè âûñîêîãî ïîðÿäêà ïîÒ , íàéäåì

(1/L) ln(1/p)=T/L.

Òîãäà âûðàæåíèå (4) ïðåäñòàâèì â âèäå

I=(8¶en2VD)/(gLw2I)(µ+T/L). (5)

Ôîðìóëà (5) ñïðàâåäëèâà äëÿ ïðèáëèæåííûõ ðàñ÷åòîâ. Èç ôîðìóëû (5) òàêæå ñëåäóåò, ÷òî äëÿ óìåíüøåíèÿ I íåîáõîäèìî óìåíüøàòü D è íàèáîëåå îïòèìàëüíûì óñëîâèåì áóäåò D=d . Íî ïðàêòè÷åñêè ýòî óñëîâèå òðóäíî îñóùåñòâèòü íà îáû÷íîì ëàçåðíîì äèîäå, òàê êàê ãåíåðèðóåìàÿ â îêðåñòíîñòè p—n-ïåðåõîäà ñâåòîâàÿ âîëíà ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ íå òîëüêî â àêòèâíîé îáëàñòè, íî è çà åå ïðåäåëàìè, ãäå íå âûïîëíÿþòñÿ óñëîâèÿ èíâåðñíîñòè íàñåëåííîñòè. Åùå îäíîé ïðè÷èíîé ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ÷àñòü èíæåêòèðóåìûõ ýëåêòðîíîâ, îáëàäàÿ áîëüøîé äëèíîé ñâîáîäíîãî ïðîáåãà, ïðîòàñêèâàåò àêòèâíóþ ÷àñòü p—n-ïåðåõîäà è íå ó÷àñòâóåò â îáðàçîâàíèè ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð. Ïî ýòèì ïðè÷èíàì íåîáõîäèìî îãðàíè÷èòü çîíó ðàñïðîñòðàíåíèÿ ãåíåðèðóåìîãî ñâåòà è èíæåêòèðóåìûõ ýëåêòðîíîâ è îáåñïå÷èòü óñëîâèÿ, ÷òîáû ýòè ïðîöåññû ïðîòåêàëè òîëüêî â àêòèâíîé îáëàñòè. Æåëàåìûå ñâîéñòâà îïòè÷åñêîãî îãðàíè÷åíèÿ ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû íà ãåòåðîïåðåõîäíûõ ñòðóêòóðàõ. Ñàìûì ïðîñòûì èç íèõ ÿâëÿåòñÿ ëàçåð ñ îäèíàðíûì ãåòåðîïåðåõîäîì (ÎÃ), ïðåäñòàâëåííûé íà ðèñ. 6, à. Èçëó÷àþùèé p—n-ïåðåõîä îáðàçóåòñÿ ìåæäó GaAS è Ga(1-x)AlxAs ïîñðåäñòâîì ñïåöèàëüíîé òåõíîëîãè÷åñêîé îáðàáîòêè. Åñëè êîíöåíòðàöèè ïðèìåñåé ïðèìåðíî îäèíàêîâû íà îáåèõ ñòîðîíàõ p—n-ïåðåõîäà, òî èíæåêöèîííûé òîê áóäåò ñóùåñòâîâàòü çà ñ÷åò ýëåêòðîíîâ, èíæåêòèðóåìûõ â ñëîé p-òèïà, ïîñêîëüêó ýôôåêòèâíàÿ ìàññà ýëåêòðîíîâ ïî÷òè íà ïîðÿäîê ìåíüøå ýôôåêòèâíîé ìàññû äûðîê. Ïîýòîìó ñëîé ñ èíâåðñíîé íàñåëåííîñòüþ áóäåò íàõîäèòñÿ â p-GaAs, òîëùèíà êîòîðîãî ñîèçìåðèìà ñ äëèííîé äèôôóçèè èíæåêòèðóìûõ ýëåêòðîíîâ. Òàêèì îáðàçîì, îáëàñòü èíâåðñèè íàñåëåííîñòè îãðàíè÷åííà òîëùèíîé, ãäå â îñíîâíîì è ïðîèñõîäèò ðåêîìáèíàöèÿ ýëåêòðîíîâ ñ ïîñëåäóþùèì èçëó÷åíèåì.

 ÎÃ-ëåçåðå îïòè÷åñêîå îãðàíè÷åíèå ïðîèñõîäèò ñ îäíîé ñòîðîíû, îòñþäà æåëàåìûé ðåçóëüòàò ò. å. ïîâûøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû ãåòåðîëàçåðà, ðåàëèçóåòñÿ ÷àñòè÷íî, à ïîýòîìó ó ÎÃ-ëàçåðà çíà÷åíèå ïîðîãîâîãî òîêà âûøå, ÷åì ó ëàçåðà ñ äâîéíîé ãåòåðîñòðóêòóðîé (ðèñ. 6, á). Ïîñêîëüêó óäàëîñü óìåíüøèòü çíà÷åíèå ïîðîãîâîãî òîêà ó ÎÃ-ëàçåðà, ýòî äàëî âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü åãî ðàáîòó ïè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå, íî òîëüêî â èìïóëüñíîì ðåæèìå íàêà÷êè.  íåïðåðûâíîì ðåæèìå íàêà÷êè ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ðàáîòàþò ëàçåðû ñ äâîéíîé ãåòåðîñòðóêòóðîé (ÄÃ).

Òîëùèíà àêòèâíîãî ñëîÿ ÄÃ-ëàçåðà ñîñòàâëÿåò íå ìåíåå 1 ìêì. Ïðè ýòîì ïî âñåìó ñëîþ ñîçäàåòñÿ èíâåðñíàÿ íàñåëåííîñòü. Åñëè â ÎÃ-ëàçåðàõ òîëùèíà àêòèâíîãî ñëîÿ ñîèçìåðèìà ñ äëèííîé äèôôóçèè èíæåêòèðóåìîãî ýëåêòðîíà, òî â ÄÃ-ëàçåðàõ òîëùèíà ìåíüøå ýòîé äëèíû. Êðîìå òîãî, âÄÃ-ëàçåðàõ îáåñïå÷èâàåòñÿ îïòè÷åñêîå îãðàíè÷åíèå ñ äâóõ ñòîðîí àêòèâíîé çîíû. Ýòè îáñòîÿòåëüñòâà ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî ÄÃ-ëàçåðû ÿâëÿþòñÿ âûñîêîýôôåêòèâíûìè ïðèáîðàìè è õàðàêòåðèçóþòñÿ ìèíèìàëüíûì ïîðîãîâûì òîêîì, ÷òî ïîçâîëÿåò îñóùåñòâëÿòü íåïðåðûâíóþ íàêà÷êó ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.

Äëÿ óëó÷øåíèÿ âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê ãåòåðîñòðóêòóðíîãî ëàçåðà â ïðîöåññå ïîëó÷åíèÿ ãåòåðîñòðóêòóðû ñîçäàþò óñëîâèÿ, îáåñïå÷èâàþùèå îãðàíè÷åíèå íîñèòåëåé çàðÿäà â àêòèâíîé îáëàñòè. Äëÿ ñòðóêòóðû, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 6, á, äèàãðàììà ýíåðãèòè÷åñêèõ çîí ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7. Èç-çà òîãî, ÷òî øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû ó ïîëóïðîâîäíèêà áîëüøå â îáëàñòè ñ óâåëè÷åíèåì êîíöåíòðàöèåé àòîìîâ Al, âîçíèêàþò ñìåøåíèÿ â çîíå ïðîâîäèìîñòè íà p—p+-ïåðåõîäå (dEc) è â âàëåíòíîé çîíå íà n—p- è

n+—p-ïåðåõîäàõ (dEv).

Êîãäà ê òàêîé ñòðóêòóðå ïðèêëàäûâàåòñÿ ïðÿìîå íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ, ýëåêòðîíû èíæåêòèðóþòñÿ èç n- â p-îáëàñòü. Ñêà÷îê çîíû ïðîâîäèìîñòè íà p—p+-ãðàíèöå ðàçäåëà íà dEc îáåñïå÷èâàåò ýíåðãåòè÷åñêèé áàðüåð äëÿ èíæåêòèðóåìûõ ýëåêòðîíîâ, ïðîèçâîäÿ òåì ñàìûì îãðàíè÷åíèå èõ â p-îáëàñòè è óâåëè÷èâàÿ âåðîÿòíîñòü èõ ðåêîìáèíàöèè ñ äûðêàìè. Ñêà÷îê âàëåíòíîé çîíû íà n—p-ïåðåõîäå dEc ïîâûøàåò óæå ñóùåñòâóþùèé ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð, ïðåïÿòñòâóþùèé èíæåêöèè äûðîê â n-îáëàñòü, óëó÷øàÿ òåì ñàìûì èíæåêöèîííóþ ýôôåêòèâíîñòü. Òàêèì îáðàçîì, ó äâîéíîé ãåòåðîñòðóêòóðû èìååò ìåñòî òåíäåíöèÿ îãðàíè÷åíèÿ êàê îñíîâíûõ, òàê è èíæåêòèðóåìûõ íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé â àêòèâíîé çîíå. Ýòî îáåñïå÷èâàåò õîðîøèå óñëîâèÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ áîëåå ýôôåêòèâíîé èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè. Çíà÷èò ÄÃ-ëàçåðû îáåñïå÷èâàþò áîëåå âûñîêèå âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ïî ñðàâíåíèþ ñ ÎÃ-ëàçåðàìè, è òåì áîëåå ïî ñðàâíåíèþ ñ ãîìîïåðåõîäíûìè ëàçåðàìè. Ñðàâíåíèå òåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ïîêàçûâàåò, ÷òî åñëè ó ãîìîñòêòóðíîãî ëàçåðà ïîðîãîâàÿ ïëîòíîñòü òîêà ðàâíà 104 À/ñì2 ïðè êâàíòîâîé ýôôåêòèâíîñòè 10%, òî ó ÎÃ-ëàçåðîâ ïîðîãîâàÿ ïëîòíîñòü òîêà ðàâíà 103 À/ñì2 ïðè êâàíòîâîé ýôôåêòèâíîñòè 40%. Ýòè ëàçåðû ðàáîòàþò òîëüêî â èìïóëüñíîì ðåæèìå. Ó ÄÃ-ëàçåðîâ ïîðîãîâàÿ ïëîòíîñòü òîêà ðàâíà 700— 800 À/ñì2 , à êâàíòîâîé ýôôåêòèâíîñòü ñîñòàâëÿåò 55%. Ýòè ëàçåðû ðàáîòàþò â íåïðåðûâíîì ðåæèìå.

Îäíàêî ó ÄÃ-ëàçåðîâ áîëüøàÿ óãëîâàÿ ðàñõîäèìîñòü ëó÷à (20— 40°) â ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ê ïëîñêîñòè ïåðåõîäà, èç-çà äèôðàêöèè ñâåòà â òîíêîì àêòèâíîì ñëîå, â òî âðåìÿ êàê ó ãîìîñòðóêòóðíûõ è ÎÃ-ëàçåðîâ óãëîâàÿ ðàñõîäèìîñòü ñîñòàâëÿåò 15— 20°. Ó âñåõ ðàññìîòðåííûõ òèïîâ ëàçåðîâ óãëîâàÿ ðàñõîäèìîñòü ëó÷à â ïëîñêîñòè ïåðåõîäà ñîñòàâëÿåò íå áîëåå 10°.

4. Ëèòåðàòóðà.

1). Ê. È. Êðûëîâ, Â. Ò. Ïðîêîïåíêî, Â. À. Òàðëûêîâ “Îñíîâû ëàçåðíîé òåõíèêè “. Ìàøèíîñòðîåíèå 1990 ãîä.

2).Ï. Ã. Åëèñååâ “Ââåäåíèå â ôèçèêó èíæåêöèîííûõ ëàçåðîâ”.