вход Вход Регистрация



Особую группу ОКГ на твердом теле представляют полупроводники ОКГ или ПКГ, отличительной особенностью которых является использование в качестве активного элемента кристалла полупроводника, возбуждаемого либо электрическим током (инжекцией носителей через р-n переход), либо пучком электронов высокой энергии. В этой связи различают инжекционные ПКГ и ПКГ с электронным возбуждением.

ПКГ- самые малогабаритные из всех типов ОКГ. Указанное свойство является и причиной сравнительно небольшой (по сравнению с твердотельными и газовыми ОКГ) мощности излучения этих генераторов (ср. мощность 10мВт).

Рекомбинация электронов и дырок в лазерном диоде, сопровождающаяся рождением фотонов излучения, происходит в активной области р-n перехода. Индуцированное излучение в ПКГ возникает за счет перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, сопровождающегося излучением фотонов с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны.

Ширина энергетического слоя зоны проводимости, из которых осуществляется переход электронов в валентную зону, и энергетического слоя ВЗ, занятого дырками, в который переходят электроны из ЗП равна kT, где k-постоянная Больцмана, Т-абсолютная температура.

Лазерные диоды изготавливаются из целого ряда полупроводниковых проводников материалов: ZnS, CdS, GaAs и др., отличающихся как химическим составом, так и шириной ЗЗ, определяющей длину волны излучения. Наибольшее практическое применение из указанных материалов нашел GaAs, обладающем наилучшими генерационными характеристиками и наилучшим порогом возбуждения.

Энергетические уровни электронов атомов полупроводников располагаются в валентных зонах и зоне проводимости, разделенных соответствующими запрещенными зонами, причем ширина ЗЗ DЕ колеблется, в зависимости от типа полупроводника, в пределах от сотых долей до 2-3эВ. Наинизший уровень ЗП называется дном зоны проводимости и обозначается ЕС, а наивысший уровень

ВЗ - потолком ВЗ Еv.

Если электрон, приобретая дополнительную энергию, превышающую ширину ЗЗ , переходит в ЗП, то в ВЗ появляется вакантный уровень и соответствующий ему положительный заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона и называемый дырой. Электроны и дырки в полупроводнике являются носителями электрического тока.

Поскольку электроны, отдавая избыточную энергию кристаллической решетке, стремятся занять состояние с минимальной энергией, они в первую очередь заполняют уровни в валентной зоне и лишь небольшая их часть попадает в зону проводимости.

Распределение электронов по энергетическим уровням описывается функцией Ферми-Дирака: [1-3]

,

где: fn (Е) - характеризует вероятность занятия квантового состояния с энергией Е; k – постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Еф - уровень Ферми электронов.

Функция Ферми для дырок [1-3] :

Из этих функций следует, что при температуре абсолютного нуля (Т=0К) для уровней Е>ЕФ величина fn (E) = 0, а для Е<ЕФ равна 1. Это означает, что при Т=0К все уровни ниже уровня Ферми заняты электронами, а все уровни выше уровня Ферми свободны.

Поскольку fn (E) =1 при Е<ЕФ и fn (Е) =0 при Е>ЕФ, уровень Ферми должен располагаться ниже дна зоны проводимости и выше потолка валентной зоны, т.е. где-то в запрещенной зоне. Для чистого (беспримесного) полупроводника, называемого собственным полупроводником, уровень Ферми расположен вблизи середины ЗЗ. При Т>0 часть электронов, получив энергию от кристаллической решетки, переходит в зону проводимости, и вид функции Ферми изменится. Уровень Ферми можно определить и как уровень, вероятность занятия которого электроном равна 0, 5.Действительно, из последних формул следует, что при и Е=ЕФ fn (Е) =0, 5.

При облучении полупроводника некоторая часть электронов, получая дополнительную энергию, превышающую ширину ЗЗ, переходит из ВЗ в ЗП, а другая часть, находящаяся в ЗП, совершает обратный переход, занимая свободные уровни в ВЗ и излучая избыточную энергию ввиде фотонов света с энергией hn>DЕ, причем вероятности этих переходов Р12 и Р21 равны.

Обычный полупроводник в нормальных условиях будет в основном поглощать фотоны.

Для того, чтобы полупроводник усиливал свет, необходимо обеспечить выполнение условия инверсной населенности для полупроводника, необходимого для возникновения стимулированного излучения (N2 >N1).

Условие превращения полупроводника в активную среду эквивалентно условию, при котором вероятность занятия электроном некоторого уровня в зоне проводимости оказывается выше вероятности занятия уровня в ВЗ.

Другими словами: усиление света полупроводником возможно в том случае, если в ЗП имеются энергетические уровни, вероятность занятия которых больше, чем вероятность заселения некоторых уровней в ВЗ.

В случае введения донорных примесей, уровни электронов которых ЕД расположены вблизи дна зоны проводимости (рис.2.13), возможен переход электронов донорных атомов в ЗП. Чем больше концентрация доноров, тем большее количество электронов может переходить в ЗП. Это вызывает смещение уровня Ферми вверх, в сторону ЗП (рис.2.13), причем степень смещения тем больше, чем выше концентрация примесей. При концентрациях 1018 – 1019 см-3 уровень Ферми располагается в ЗП (рис.2.13). Такой полупроводник n-типа называется вырожденным.

В случае введения акцепторных примесей, уровни электронов которых расположены вблизи потолка ВЗ, наблюдается переход дырок в ВЗ, т.е. заселение этой зоны вблизи ее потолка дырками (обеднение электронами).

Рост заселенности ВЗ дырками приводит к смещению уровня Ферми вниз, причем это смещение тем больше, чем больше концентрация примеси. При концентрациях примесей порядка 1017 –1018 см-3 уровень Ферми оказывается в ВЗ, а полупроводник превращается в вырожденный по дыркам. При таком расположении уровня Ферми в ВЗ появляется слой уровней, вероятность заселения которых электронами оказывается меньше 0, 5 (рис.2.13). Если соединить два полупроводника, один из которых является вырожденным полупроводником n-типа, а второй - вырожденным полупроводником p-типа (рис.2.13) и обеспечить полный электрический и тепловой контакт между обоими образцами, то за счет диффузии электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и дырок из p-типа в n-типа, то первый зарядится положительно, а второй отрицательно, в результате чего в области p-n перехода возникает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему проникновению основных носителей электрического тока. При соединении полупроводников различных типов уровень Ферми обоих образцов должен быть единым, и энергетические уровни зон в условиях равновесия перераспределяются так, как это показано на рис.2.13.

Если теперь к концам полупроводника подвести прямое напряжение, потенциальный барьер существенно снизится, и распределение уровней приобретает вид, подобный изображенному на рис.2.12, е.

Рассмотрим некоторое сечение 1-1 в области p-n перехода. К этому сечению со стороны полупроводника n-типа диффундируют электроны с энергией большей , а со стороны полупроводника p-типа - дырки с энергией, меньшей .

Тогда распределение уровней электронов в сечении 1-1 в ЗП полагаем совпадающим с функцией Ферми при Е> для полупроводника n-типа, а в валентной зоне- с функцией Ферми при Е< для полупроводника p-типа. В силу резкого снижения высоты потенциального барьера снимаются препятствия на пути движения носителей заряда, в результате чего электроны из зоны проводимости полупроводника n-типа и дырки из ВЗ полупроводника p-типа движутся навстречу друг другу и рекомбинируют в окрестности p-n перехода, преимущественно в области полупроводника p-типа.

а – расположение энергетических уровней доноров ЕД и акцепторов Еа; б – функция Ферми полупроводника, легированного донорами; в – функция Ферми вырожденного полупроводника n – типа; г – функция Ферми вырожденного полупроводника р – типа; д – энергетические уровни в области р-n перехода; е – энергетические уровни и функции Ферми в области р-n перехода при подаче прямого смещения.

Рисунок 2.13. К пояснению принципа действия инжекционных ПКГ. [6]

Поскольку излучение возникает за счет рекомбинации носителей заряда, вводимых или инжектируемых в область p-n перехода, полупроводник ОКГ, работающие на этом принципе, получили название инжекционные полупроводник ОКГ.

Чем больше количество носителей тока инжектируется в область p-n перехода, тем больше будет актов рекомбинации электронов и дырок, и тем больше будет интенсивность возникающего потока фотонов и коэффициентов усиления активной среды.

Если в усилительную среду ввести положительную обратную связь, последняя превращается в генератор. В полупроводниковом ОКГ положительная обратная связь обеспечивается за счет параллельных отражающих зеркал, образующих интерферометр Фабри-Перо. Роль этих зеркал в активных элементах ПКГ выполняют сколотые грани кристалла полупроводника, отражение от которых возникает за счет разницы в коэффициентах преломления полупроводника и воздуха. Коэффициент отражения в этом случае достигает 30%, что оказывается достаточным для обеспечения условия самовозбуждения генератора.

На рис.2.14 изображена конструкция активного элемента ПКГ (так называемого гомоструктурного лазерного диода). [6]

1- слой GaAs – n - проводимость (n - область)

2- слой GaAs – р - проводимость (р - область)

3- p-n переход

4- омические контакты, к которым подводятся импульсы

тока накачки от генератора импульсного тока.

Рисунок 2.14. Конструкция лазерного диода

ПКГ с электронным возбуждением.

Стимулированное излучение в ПКГ может быть получено путем воздействия на полупроводник потока электронов высокой энергии.

1- пучок электронов; 2- мишень-кристалл полупроводника; 3- отполированные грани кристалла, образующие естественный резонатор Фабри-Перо; 4- выходное излучение; 5- подложка. [6]

Рисунок 2.15. Упрощенная конструкция ПКГ с электронным возбуждением.

Пучок электронов 1 направляется на мишень-кристалл полупроводника 2 с отполированными гранями 3. При столкновении электронов пучка с атомами полупроводника в последнем образуются электронно-дырочные пары, причем для образования одной пары необходимо затратить энергию в 3-4 раза превышающую ширину ЗЗ в полупроводнике, поскольку значительная доля энергии электронов пучка тратится на взаимодействие с кристаллической решеткой при их проникновении вглубь вещества.

Рекомбинация образовавшихся при возбуждении электронно-дырочных пар сопровождается стимулированным излучением. Для снижения порога генерации активные элементы ПКГ (кристаллы полупроводника) обычно охлаждают до температуры жидкого гелия или азота.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру