Главная | Обратная связь

Инжекционные лазеры на гомопереходах.

При соединении вырожденных полупроводников n- и p-типов на короткое время возникает инверсное состояние между участком, примыкающим к дну зоны проводимости, и участком вблизи потолка валентной зоны, которое затем быстро исчезает. Часть электронов из зоны проводимости переходит в валентную зону и уровни Ферми выравниваются (рис.1.29).

рис.1.29

Поэтому для поддержания состояния с инверсией населенностей необходимо приложить к p-n переходу внешнее электрическое поле, которое будет осуществлять инжекцию электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону (рис.1.30).

рис.1.30

Условие, необходимое для обеспечения инверсии, создается при

Е_Fn– E_Fp= E, (2.20)

где Е_Fn и Е_Fp– энергия уровней Ферми в валентной зоне и зоне проводимости соответственно,

Е – ширина запрещенной зоны.

При рекомбинации электрона и дырки может быть испущен квант света с энергией Е = h . Таким образом условие, необходимое для получения вынужденного излучения, запишется

Е h Е_Fn – E_Fp (2.21)

Cкорость инжекции электронов и дырок в запирающий слой должна быть достаточной для поддержания инверсного состояния. Отсюда определяется пороговый ток накачки.

Величина внешнего напряжения для поддержания инверсного состояния должна быть не ниже

U = E / e, (2.22)

где е заряд электрона.

Для полупроводника, например, из GaAs U = 1,5 В.

Величина плотности инжекционного тока, при которой мощность вынужденного излучения равна потерям в переходе, называется пороговой плотностью тока j_пор. При j<j_пор – в лазере преобладает спонтанное излучение,при j>j_пор - вынужденное излучение.

Следует отметить, что пороговые плотности тока для полупроводниковых лазеров имеют большую величину и сильно зависят от температуры. Так для лазера на основе GaAs j_пор 1∙10⁵ А/см² при Т = 300К (27⁰С). Это очень большая плотность тока, приводящая к разогреву структуры, поэтому приемлемых плотностей тока можно достичь при охлаждении кристалла до Т=77К (уровень жидкого азота). В этом случае j_пор 1∙10³ А/см².

Реально работать полупроводниковые лазеры могут только при низких температурах. Отметим возможные способы снижения пороговой плотности тока.

1. j_пор можно снизить за счет увеличения внутреннего квантового выхода _к.

_к = число фотонов/ число электронов, прошедших через кристалл.

Этого можно достичь использованием гетероструктур

2. j_пор можно снизить за счет снижения потерь в резонаторе (оптическое ограничение в двойной гетероструктуре).

3. j_пор можно снизить за счет уменьшения площади токоведущих контактов (полосковые лазеры).