Электромагнитное излучение в полупроводниках.

Возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону полупроводника сопровождается излучением электромагнитной энергии. Полупроводниковые оптические излучатели можно разделить на две группы:

· излучатели, основанные на принципе спонтанной (самопроизвольной), инжекционной электролюминисценции;

· оптические генераторы когерентного (индуцированного) излучения (лазеры).

 

В общем смысле люминесценция – это излучение, мощность которого превышает интенсивность теплового излучения при данной температуре («холодное» свечение) и которое сохраняется в течении некоторого времени после окончания вызывающего его возбуждения.

В люминесцирующем веществе за счет энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних энергетических уровней Е₁ переходит на более высокие уровни, а затем оказывается на некотором уровне возбуждения (метастабильном уровне) Е (рис. 10.4.1,а). Возвращение электронов с уровня Е на уровень Е₁ сопровождается электромагнитным излучением, длина волны которого определяется соотношением

, (10.4.1)

где λ – длина волны, мкм;

Е₂, Е₁ – уровни энергии, эВ.

Кроме простейшего случая рассмотренной трехуровневой системы, может наблюдаться и четырехуровневая система излучения (рис.10.4.1,б), где оба уровня Е₂, Е₁ являются метастабильными.

Процесс перехода электронов с уровня Е₂ на уровень, Е₁ может протекать поразному. Если переход атомов из возбужденного состояния в равновесное происходит в связи с внешними воздействиями. То момент излучения и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий световой поток характеризуется лишь среднестатистическими параметрами. В этом случае возникает спонтанное некогерентное излучение, а образованный в результате такого излучения луч света представляет собой наложение (суперпозицию) волн, генерируемых множеством элементарных осциляторов (возбужденных атомов). Частота и начальная фаза у всех слагаемых волн при этом не одинаковы.

При действии световой волны на люминесцирующую систему с возбужденными атомами с частотой, соответствующей резонансной частоте этих атомов (т.е. длине волны, рассчитываемой по формуле 10.4.1). Может возникнуть процесс, при котором все возбужденные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что генерируемые фотоны абсолютно неотличимы от тех, которые эту генерацию вызвали. Такое вынужденное когерентное излучение называют с тимулированным или индуцированным, а излучатели таких волн получили название лазеров (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света засчет индуцированного излучения).

Лазеры.

Лазер (оптический квантовый генератор) – источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов и молекул.

Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Т.е. если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени, или же два идеальных монохроматических колебания имеют одну и ту же частоту, то такие колебания называются когерентными.

Таким образом, среда с инверсией населенностей способна усиливать световую волну. Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый «открытый резонатор» за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество (рис. 10.5.1).

 

Классификация лазеров: по типу активной среды различают: газовые, твердотельные (к которым так же можно отнести и полупроводниковые лазеры) и жидкостные лазеры.

В газовых лазерах активной средой является газ или смесь газов, возбуждаемые газовым разрядом. Инверсия населенностей создается в результате избирательного возбуждения энергетических уровней, находящихся вблизи резонансных переходов различных атомов, за счет неупругих соударений частиц газа.

Инверсия населенностей – соотношение между населенностями разных энергетических уровней атомов или молекул вещества, при котором число частиц на верхнем из данной пары уровней больше, чем на нижнем.

Инверсия населенностей – необходимое условие создания почти всех квантовых генераторов и усилителей.

Наиболее распространенными газовыми лазерами является гелий-неоновый лазер, излучающий на квантовых переходах между энергетическими уровнями атомов Ne с длиной волны (λ =0,6328 мкм). Другой важный представитель газовых лазеров, лазер на смеси (CO₂– N₂), излучающий в ИК диапазоне (λ =10,6 мкм). Так же распространены ионные газовые лазеры на ионах Ar, возбуждаемых мощным газовым разрядом. Существуют еще газодинамичные газовые лазеры, в которых инверсия населенности возникает за счет резкого охлаждения нагретой газовой смеси. Так же химические газовые лазеры, где возбужденная активная среда образуется за счет протекания химических реакций.

В жидкостных лазерах активной средой служат растворы органических и неорганических соединений. Жидкостные лазеры на растворах органических красителей перекрывают диапазоны длин волн 0,3 – 1,2 мкм.

В твердотельных лазерах активной средой являются оптические монокристаллы и стекла, содержащие примеси ионов активаторов Cr, Nd, Er, ионы металлов переходных групп. Возбуждаются твердотельные лазеры внешним источником света: импульсными и дуговыми газоразрядными лампами, светодиодами, полупроводниковыми лазерами. Большую известность среди твердотельных лазеров получили: лазер на рубине, излучающий видимый свет с длиной волны λ =0,6943 мкм, и лазеры на алюмоитриевом гранате и стеклах различных составов с примесью Nd, дающие ИК излучение с λ =1,06 мкм. Твердотельные лазеры могут работать в режиме импульсного мощного излучения в виде короткой мощной вспышки (≈ 10^-8 с).

Конструкция лазера как правило включает: излучатель, блок питания и систему охлаждения (для мощных лазеров).

Лазеры могут излучать в различных режимах: непрерывно – в течение некоторого времени, однократно в виде одиночной вспышки, в импульсном режиме, с различными частотами повторения импульсов.

Особое место среди квантовых генераторов оптического диапазона занимают полупроводниковые оптические квантовые генераторы, основоположниками теории которых были советские ученые Н.Г.Басов, Б.М. Вул и Ю.М.Попов. Начиная с 1957 года в нашей стране и зарубежом созданы многочисленные образцы полупроводниковых ОКГ на таких материалах, как арсенид галия, арсенид индия, сурьмянистый индий, селленистый и теллуристый свинец и др.

Преимущества полупроводниковых лазеров перед оптическими квантовыми генераторами на стекле. Ионных кристаллах и газах заключается в их малых размерах, более высоком КПД, в возможности прямого преобразования электрической энергии в когерентное излучение и, следовательно, в простоте управления интенсивностью этого излучения.

Рассмотрим принцип получения когерентного электромагнитного излучения в полупроводнике.

В обычном состоянии в полупроводнике имеет место равновесное распределение носителей по энергетическим уровням, подчиняющееся распределению Ферми – Дирака. В этих условиях количество электронов на нижних энергетических уровнях всегда превышает количество электронов, находящихся на верхних (возбужденных) уровнях энергий. Между этими уровнями происходит непрерывный обмен электронами, причем переход с нижнего на верхний уровень сопровождается поглощением энергии, а переход с верхнего уровня на нижний – излучением энергии. Поскольку в обычном состоянии нижние уровни энергии «заселены» электронами более густо, в такой системе вероятность поглощения поступающей извне энергии больше, чем вероятность излучения энергии при обратном переходе электронов на более низкий уровень. Поэтому квантовая система, находящаяся в равновесном состоянии, не может усиливать или генерировать электромагнитные колебания.

Для того чтобы заставить полупроводник усиливать электромагнитное излучение, необходимо нарушить равновесное распределение электронов по уровням и искусственно создать такое распределение, когда число электронов на верхних уровнях больше, чем на нижних. Такое состояние полупроводника называют состоянием с инверсной заселенностью. Процесс создания условий, при которых полупроводник приобретает состояние с инверсной заселенностью получил название накачки. Существуют различные способы накачки полупроводниковых лазеров (оптическая накачка, накачка электроннымпучком, ударная ионизация и др .).

Инверсная заселенность достигается обычно не во всем спектре энерге-тических состояний, а лишь в зонах, примыкающих к запрещенной зоне по-лупроводника. При этом наиболее плотно заселенными электронами оказы-ваются уровни, лежащие вблизи «дна» зоны проводимости, а наибольшая плотность дырок получается вблизи верхнего края валентной зоны (рис. 10.5.2). В этих условиях падающий квант электромагнитного излучения (индуцирующий фотон) может индуцировать испускание такого же кванта, переводя электрон из зоны проводимости в валентную зону. Вероятность поглощения такого кванта мала, так как в рассмотренной выше ситуации нижнее состояние уже свободно, а верхнее заполнено, т.е. вероятность индуцированных переходов вниз будет больше вероятности переходов вверх. Следовательно, создаются условия, когда электромагнитное излучение преобладает над поглощением. Это способствует нарастанию фотонной лавины и усилению когерентного электромагнитного излучения.