Инверсия населенности. Методы образования инверсии населенности.
Как известно, коэффициент поглощения a имеет вид Из распределения Больцмана следует, что Поскольку E2>E1, а в равновесии g1N2<g2N1 то T>0. Однако если выполняется неравенство или то Т<0. Таким образом, для того чтобы создать среду с отрицательным поглощением, необходимо осуществить неравновесное состояние, при котором число возбужденных атомов было бы больше числа атомов, находящихся в нормальном, невозбужденном состоянии. Заселенность энергетических уровней атомов, удовлетворяющих данному неравенству, носит название инверсной населенности. Одним из способов получения среды с отрицательным поглощением может явиться создание косвенным путем избытка атомов на более высоком уровне энергии по отношению к более низкому. Такой случай можно осуществить на атомной или молекулярной системе, которая может находиться в трех энергетических состояниях: в нормальном с энергией E0 и двух возбужденных (1 и 2) с энергиями E1 и E2, между которыми возможны спонтанные переходы с вероятностями А20, A21 и A10. В такой системе с помощью поглощаемых квантов света производится заселение возбужденного уровня 2. Селективное заселение уровня получило название оптической накачки. Уровень 1 заселяется только в результате спонтанного перехода 2®1, и число таких переходов в единицу времени равно A21N2 Уменьшение населенности уровня 1 происходит только за счет переходов 1®0, и число таких переходов в единицу времени будет A10N1. В стационарных условиях количество заселяющих переходов равно числу обратных переходов: A21N2=A10N1. Для получения индуцированного излучения необходима инверсная населенность уровней, т. е. населенность уровня 2 должна быть больше, чем уровня 1. Для рассматриваемой системы инверсная населенность уровней возникнет в том случае, если A21<A10 Из этого соотношения следует, что уровень 2 за счет перехода 2®1 должен опустошаться медленнее, чем уровень 1 за счет переходов 1®0. При таком соотношении вероятностей в состоянии 2 будет накапливаться больше атомов, чем в состоянии 1. Однако для осуществления такого процесса накопления атомов необходимо также, чтобы уровень 2 достаточно медленно опустошался за счет переходов 2®0, т.е. вероятность перехода из состояния 2 в состояние 0 должна быть мала.
Светодиоды. В светодиодах свечение возникает при протекании тока в прямом направлении. Свечение в светодиоде относится к явлению электролюминесценции. Инжекция на p-n переходе возн. в резонанс инжекции неосновных носителей заряда. Электроны инжектируются в p-область, а дырки в n-область. Рекомбинация своб-х электронов и дырок может происходить на примесных уровнях или в рез. рекомбинации свободного эл. и дырки. Спектр испускания свет-в может иметь несколько полос, связанных с примесными центрами (активаторами), и полосу зонно-зонных переходов. Излучение св-а явл. спонтанным, кванты света распростроняются в разном направлении. Яркость свечения В зависит от величины тока протекающего через p-n переход В@In, где 1<n<2. В области p-n перехода т.ж. может происходить рекомбинация. Тратится на нагревание кристаллической решётки, поэтому КПД =до 40%. Среди светоизлучающих диодов (СИД) различают диоды для индикации, для оптической связи, а также обладающие высокой мощностью излучения. Рассмотрим диоды, используемые в оптической связи. СИД по сравнению с полупроводниковыми лазерами обладают более широким спектром излучения, полоса модуляции у них уже, а эффективность связи с оптическим волокном ниже. По способу вывода излучения СИД подразделяются на диоды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями. В полупроводниковых лазерах обычно используется двойная гетероструктура Структура СИД с поверхностным излучателем (а) и с торцевым излучателем (б): 1–эпоксидная смола. 2 –омический контакт; 3–излучение; 4– оптическое волокно; 5–подложка на n-GaAs; 6–активный слой; 7-теплоотвод; 8-нижний омический контакт (диаметром 50 мкм), 9 – нижний омический контакт (ширина 65мкм)10–подложка. В СИД с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода (рис.а). Для улучшения отвода тепла от активного слоя одна сторона выращенного слоя прижимаемся к теплоотводу, а вывод излучения осуществляется со стороны подложки. Для вывода излучения через поглощающую подложку на арсениде галлия в AlGaAs СИД в подложке вырезается круглое отверстие и вводится оптическое волокно. В СИД с торцевыми излучателями вывод излучения, выходящего из активного слоя, осуществляется с торца, как в полупроводниковых лазерах. Так как в этом случае генерируемое излучение при выводе наружу проходит через активный слой, то имеет место сильное самопоглощение и КПД вывода излучения не может быть таким же высоким, как у ранее рассмотренного типа диодов. ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|