Метод електронного збудження

При накачці пучком швидких електронів, ці частинки, прискорені у вакуумній трубці до енергії 10-100 кеВ, спрямовуються на плоску поверхню напівпровідникового кристалу. В кристалі швидкі електрони сповільнюються, а їхня кінетична енергія йде на утворення електронно-діркових пар. Утворення нерівноважних носіїв заряду відбувається за рахунок багатоступінчатої іонізації, яка здійснюється швидкими електронами, які входять в напівпровідник. Як випливає з розрахунків, для утворення однієї електронно-діркової пари збуджуючий електрон повинен мати енергію, приблизно в три рази більшу, ніж ширина забороненої зони. Таким чином, швидкий електрон з енергією в декілька кілоелектронвольт створює приблизно 10³ вільних електронів і дірок. У цьому випадку утворюються “гарячі” електрони і дірки, тобто такі, в яких кінетична енергія у відповідних зонах у багато разів перевищує енергію рівноважних з граткою носіїв. Взаємодія гарячих носіїв з решіткою напівпровідника приводить до їх охолодження до температур, близьких до температури решітки. Тобто утворені нерівноважні носії, спочатку розкидані по широкому енергетичному інтервалі відповідних зон, віддають надлишкову енергію атомам решітки і переходять на більш низькі рівні поблизу країв зони (електрони – біля дна зони провідності, дірки поблизу стелі валентної зони), займаючи вузький енергетичний інтервал порядку kT, після чого термалізація відбувається шляхом випускання оптичних і акустичних фононів.

Накачка повинна бути такою, щоб термалізовані носії були вироджені у відповідних зонах, тобто відстань між квазірівнями Фермі стала б більшою за ширину забороненої зони. при цьому утворюється шар речовини з інверсною заселеністю, товщина якого залежить від енергії падаючих електронів і може досягти до 20 мкм.

Енергія, яку передають ґратці кристалу гарячі носії при охолодженні, складає неминучі енергетичні втрати в методі накачки швидкими електронами (так само, як і при накачці іншими іонізуючими випромінюваннями), вимагає додаткового в порівнянні з інжекційними лазерами охолодження активної області. Ефективність накачування внаслідок втрат на термалізацію електронів і дірок обмежена рівнем 1/3. Іншими джерелами є відбивання і вторинна емісія електронів з поверхні напівпровідника, неповне використання перерізу пучка тощо.

Таким чином, гранично можливий ККД лазера з електронним збудженням не може перевищувати 30 %.

Досить велика глибина проникнення швидких електронів дає можливість збуджувати значні об’єми речовини і отримувати потужність випромінювання ~ 10 кВт. Проте, електрони великих енергій спричиняють дефекти в кристалах, через що підвищується імовірність безвипромінюючих переходів, тобто знижується імовірність рекомбінаційного випромінювання. Зауважимо, що критична енергія збудження, починаючи з якої швидкості електрони руйнують кристалічну ґратку – створюючи дефекти в напівпровіднику складає декілька сотень кілоелектронвольт. Утворення дефектів і розігрівання кристалів можна уникнути використавши режим коротких, але потужних імпульсів потоків швидких електронів.

Накачка швидкими електронами – досить універсальний спосіб отримання лазерної генерації в напівпровідниках, придатний для матеріалів з довільною шириною забороненої зони і будь-якими вихідним електричним опором. Завдяки цьому така накачка на даний час використовується для більшості напівпровідникових матеріалів. Особливо важливим виявилось отримання лазерного випромінювання у видимому діапазоні з довжиною хвилі коротше 0,6 мкм.

При електронному методі накачки знімаються проблеми, зв’язані з виготовленням високоякісних p-n -переходів в напівпровідниках. Електронна накачка може бути використана для збудження тих напівпровідникових кристалів, в яких взагалі неможливо створити якісний p-n -перехід. Це дозволяє спостерігати генерацію випромінювання у великій кількості напівпровідників.