ОТДЕЛЬНО О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРАХ

Полупроводниковые лазеры требуют отдельного разговора. Уж очень они специфичны. Здесь всё особое: физика процессов, методы накачки, конструкция. Вспомним, например, сделанное ранее замечание о том, что у полупроводниковых лазеров нет как таковых активных центров.

Нельзя понять, как работает полупроводниковый лазер, не зная хотя бы в общих чертах физики полупроводников. Предположим вопрос: чем отличается электрон в атоме от электрона в кристалле? Не входя в «тонкости», ответим на него так. В атоме энергия электрона принимает строго определенные дискретные значения; энергетические состояния электрона в атоме 124

описываются на языке уровней. В кристалле же вместо системы уровней рассматриваются энергетические зоны. Энергия электрона может принимать любое значение в пределах зоны. Одновременно в зоне может находиться, хотя и очень большое, но все же конечное число электронов, поэтому зона может быть полностью или неполностью заполненной электронами. Зона начинает заполняться электронами снизу, т. е. в направлении от более низких к более высоким значениям энергии. Степень заполнения зон электронами, величина межзонных промежутков, возможное взаимное перекрытие зон-всё это позволяет объяснить общеизвестное деление твердых тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. Нас интересуют сейчас только полупроводники, поэтому ограничимся энергетическими состояниями электронов в полупроводниках. Начнем с чистого полупроводника, фактически не содержащего каких-либо примесей.
Нам достаточно рассмотреть две энергетические зоны-так называемую валентную и расположенную над ней (по шкале энергий) зону проводимости. Между зонами есть промежуток запрещенных значений энергии шириной не более 1-3 эВ; его называют запрещенной зоной (не надо путать запрещенную зону с энергетическими зонами!). Допустим, что температура полупроводника равна абсолютному нулю. В этом случае валентная зона должна быть полностью заполнена электронами, а зона проводимости должна быть пустой. В действительности же температура всегда выше абсолютного нуля, поэтому можно говорить о тепловом возбуждении электронов. Оно приводит к тому, что часть электронов перескакивает из валентной зоны в зону проводимости; таких электронов будет тем больше, чем выше температура полупроводника. В результате в зоне проводимости появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов; в то же время валентной зоне до ее полного заполнения теперь не хватает соответствующего числа электронов.
Отсутствие электрона в валентной зоне удобно представлять как наличие в ней положительно заряженной частицы; ее называют дыркой. В беспримесном полупроводнике число электронов в зоне проводимости (в единице объема кристалла) точно равно числу дырок в валентной зоне. Квантовый переход

электрона через запрещенную зону снизу вверх можно рассматривать как генерацию электронно-дырочной пары - появление электрона в зоне проводимости и одновременное появление дырки в валентной зоне. Электроны сосредоточиваются у нижнего края зоны проводимости, а дырки у верхнего края валентной зоны. Наряду с переходами через запрещенную зону снизу вверх возможны также обратные переходы - сверху вниз. Электрон может совершить скачок из зоны проводимости обратно в валентную зону; такой процесс называют рекомбинацией электрона и дырки.
Будем облучать полупроводник светом такой частоты, чтобы энергия фотонов слегка превышала ширину запрещенной зоны. Такой фотон может быть поглощен электроном вблизи верхнего края валентной зоны. В результате электрон совершит квантовый переход в зону проводимости. Практически с такой же вероятностью фотон может инициировать встречный процесс - переход в валентную зону электрона, находившегося в зоне проводимости вблизи ее нижнего края. При этом родится еще один фотон (вторичный), причем в том же направлении, в каком летел первичный фотон. В первом случае имеем поглощение света в полупроводнике, а во втором - вынужденное испускание света. Возможно также самопроизвольное возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону-спонтанное испускание света.

Для создания полупроводникового лазера необходимо обеспечить преобладание процессов вынужденного испускания света над процессами его поглощения. Иначе говоря, надо сделать так, чтобы полупроводник мог усиливать излучение. Легко сообразить, что для этого надо получить инверсную населенность «рабочих уровней», в качестве которых здесь выступают нижний край зоны проводимости и верхний край валентной зоны. Концентрация электронов у нижнего края зоны проводимости (т. е. на верхнем «рабочем уровне») должна быть больше, чем у верхнего края валентной зоны (на нижнем «рабочем уровне»). Полупроводник с инверсной населенностью (или, проще, с инверсией) характеризуется достаточно высокой концентрацией электронов у нижнего края зоны проводимости и соответственно высокой концентрацией дырок у края валентной зоны; такие полупроводники называют вырожденными. Забегая вперед, заметим, что могут быть полупроводники, вырожденные только по электронам проводимости или только по дыркам. В беспримесных полупроводниках возможно лишь одновременное вырождение-и по электронам, и по дыркам.
Инверсию в беспримесном полупроводнике можно создать разными способами. Можно, например, использовать оптическую накачку - облучать полупроводник интенсивным светом соответствующей частоты. Более широко применяется, однако, не оптическая накачка, а накачка электронным пучком. В связи с этим рассмотрим полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком.
Кристалл полупроводника бомбардируют потоком электронов с энергией около 100 кэВ. Пролетая через кристалл, электроны передают часть своей энергии электронам валентной зоны и тем самым инициируют их переходы в зону проводимости. Так как значительную часть своей энергии электроны, бомбардирующие полупроводник, тратят на его нагревание, то применяется принудительное охлаждение кристалла. Заметим, что вопрос об охлаждении полупроводниковых активных сред весьма принципиален. Дело в том, что с повышением температуры электроны в зоне проводимости начинают заселять всё более и более высокие энергетические состояния, в результате чего концентрация электронов у нижнего края зоны про
водимости понижается. В то же время повышается концентрация электронов вблизи верхнего края валентной зоны. В результате уменьшается степень инверсной населенности состояний, что, конечно, нежелательно.

Многие полупроводниковые материалы генерируют лазерное излучение лишь при очень низких температурах. Так, арсенид галлия (GaAs) требуется обычно охлаждать до 80 К. Сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe) охлаждают в отдельных случаях до температуры жидкого гелия, т. е. до 4.2 К.
Различают два типа полупроводниковых лазеров, накачиваемых электронным пучком,-лазеры с поперечной и лазеры с продольной накачкой. В первом случае электронный пучок и генерируемое лазерное излучение распространяются во взаимно перпендикулярных направлениях, во втором-во взаимно параллельных направлениях. Наиболее проста конструкция лазера с поперечной накачкой. Полупроводниковый кристалл выполняют в форме прямоугольного параллелепипеда. Пучок электронов падает перпендикулярно на одну из граней этого параллелепипеда. Две его другие противоположные грани отполированы и представляют собой зеркала оптического резонатора.

Лазер на сульфиде кадмия генерирует излучение длиной волны 0,49 мкм; КПД лазера 25%. При охлаждении кристалла до 80 К пороговая плотность тока электронного пучка составляет 0,4 А/см2, а при охлаждении до 4,2 К она уменьшается до 0,03 А/см2.
Так можно представить полупроводниковый лазер, накачиваемый электронным пучком (вариант с поперечной накачкой): / — полупроводниковый кристалл, — отполированная грань, — пучок электрона

До сих пор речь шла о беспримесных полупроводниках. Теперь поговорим о полупроводниках с примесями. Сразу же подчеркнем, что внесение в полупроводниковый кристалл тех или иных примесей существенно изменяет его свойства. Примеси бывают разные. Атомы одних примесей легко отдают в зону проводимости по одному из своих электронов; такие примеси называют донорными, а полупроводники с такими примесями-«-полупроводниками. Атомы других примесей, напротив, захватывают по одному электрону из валентной зоны; это акцепторные примеси и соответственно полупроводники /7-типа, или /7-полупроводники. В энергетической схеме примесным атомам соответствует энергетический уровень, располагающийся внутри запрещенной зоны. У w-полупро- водника примесный уровень находится недалеко от нижнего края зоны проводимости-на расстоянии порядка всего 0,01 эВ, что примерно в сто раз меньше ширины запрещенной зоны. Благодаря малости этого расстояния донорная примесь легко отдает электроны в зону проводимости; для этого достаточно сравнительно небольшого теплового возбуждения, температур порядка всего 10 К. Как правило, уже при температурах 30-50 К наступает, как говорят, истощение примесного уровня. Это означает, что примесь «отдала» в зону проводимости все электроны, какие только можно было «отдать» (иначе говоря, по электрону отдали все без исключения атомы примеси). Дальнейшее увеличение концентрации электронов проводимости с ростом температуры происходит уже только за счет междузонных переходов-из валентной зоны в зону проводимости. Заметим, что если концентрация примесей в л-полупроводнике достаточно высока (не ниже примерно 10 см-3), то при температурах в
несколько десятков градусов абсолютной шкалы может возникнуть вырождение по электронам проводимости. Такой полупроводник называют вырожденным л-полупроводником. Что касается /7-полупроводников, то там примесный уровень находится вблизи верхнего края валентной зоны и уже при незначительных температурах заполняется электронами из этой зоны. Его насыщение электронами происходит при температурах 30-50 К. При этом в валентной зоне возникает концентрация дырок, которая может обеспечить вырождение по дыркам (при концентрации

акцепторной примеси не ниже 1018 см-3). Такой полупроводник называют вырожденным /7-полупроводником.
Для создания инверсии можно привести в контакт друг с другом два вырожденных полупроводника разного типа: «-полупроводник и /7-полупроводник. Область контакта принято называть р-п-переходом. Приложим к этой области электрическое напряжение так, чтобы со стороны /7-полупроводника был « + », а со стороны «-полупроводника « —». Под действием поля электроны из «-полупроводника будут инжекти-

Я—1
Донорный уровень
«полупроводник
Акцепторный уровень
~f—Г
/9-полупроводник

В /7-полупроводнике электроны переходят с донорного примесного уровня в зону проводимости, а в р-полупроводнике электроны переходят из валентной зоны на акцепторный примесный уровень

А 1	1 '
	" 1

Так выглядит инжекцион- ный полупроводниковый лазер* р - р-полупроводник, п «полупроводник, 1 - область р - « перехода, 2 - верхний электрод, 3 — нижний электрод

роваться (перемещаться) в область р-«-перехода; одновременно в эту же область будут инжектироваться дырки из /7-полупроводника. В указанной области электроны и дырки будут рекомбинировать; иными словами, там будут происходить переходы электронов из зоны проводимости в валентную зЬну. На этих переходах при наличии оптического резонатора возможна лазерная генерация. Таков принцип работы полупроводниковых лазеров, называемых инжекцион- ными. В этих лазерах энергия когерентного излучения черпается за счет энергии электрического поля, приложенного к контакту двух разнородных примесных полупроводников.
Наиболее широко применяется инжекционный лазер на арсениде галлия. Вырожденный «-полупроводник получают при внесении в арсенид галлия примеси теллура; концентрация примеси примерно 5 • 10 см-3.
Вырожденный /7-полупроводник получается при внесении в арсенид галлия примеси цинка; концентрация примеси порядка 1019 см-3. Генерация происходит на длинах волн от 0,82 до 0,9 мкм. В инжекционном лазере зеркалами оптического резонатора служат отполированные грани кристаллического образца, ориентированные перпендикулярно плоскости р-«-перехода, т. е. плоскости, по которой контактируют друг с другом разнородные полупроводники. Инжекционные лазеры отличаются своей миниатюрностью; линейные размеры граней полупроводникового активного элемента могут составлять всего 1 мм. Толщина излучающей области (области перехода) равна 2 мкм. Мощность излучения такого лазера порядка 10 мВт в непрерывном режиме. Наибольшие мощности достигаются при охлаждении до 4,2 К. Созданы образцы, которые могут генерировать при комнатных температурах-за счет снижения мощности генерации. Инжекционные лазеры характеризуются высоким КПД, который может составлять 50-60%.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ОТДЕЛЬНО О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРАХ:

- Популярная физика -