Метод інжекції

Найпростішим методом одержання інверсної різниці заселеностей у напівпровідниках є метод інжекції. Суть його полягає в тому, що внаслідок прикладання до напівпровідникового діода зовнішньої напруги в прямому напрямі утворюється інжекція нерівноважних носіїв струму через p-n -перехід і цим самим досягається інверсна різниця заселеностей. Проходження носіїв струму через p-n -перехід, досягається для створення інверсної різниці заселеностей, потребує, щоб носії струму по обидва боки від p-n -переходу згідно з умови () були вироджені.

Якщо зовнішнього поля немає, у напівпровіднику n -типу електрони, а в напівпровіднику р -типу дірки заповнюють енергетичні рівні аж до рівня Фермі (рис.). при цьому потенціальний бар’єр еj_к перешкоджає електронам переходити в р -область. При наявності зовнішнього поля, прикладеного до діода в прямому напрямі (), величина потенціального бар’єра зменшується до мінімального значення, яка дорівнює:

, (27)

де е – заряд електрона, E_g – ширина забороненої зони.

Звичайно, для здійснення розглянутого електричного підкачування напівпровідникових діодів величину зміщення у прямому напрямі вибирають приблизно такого самого порядку, що й величина забороненої зони в напівпровіднику, на основі якого виконано діод. У p-n -переходах сильно вироджених напівпровідників стан з негативною температурою утворюється раніше, ніж знімається повністю потенціальний бар’єр.

Ця умова дає можливість використати дифузійну теорію струму через p-n -перехід для обчислення, наприклад, електронної компоненти густини струму, що дорівнює:

, (28)

де D – коефіцієнт дифузії, L _e – дифузійна довжина електронів, n_ер – рівноважна густина електронів у р- області напівпровідника.

Як видно з виразу (), густина струму зменшується із зниженням температури зразка із підвищенням ступеня виродження. Це дає змогу дістати інверсну заселеність у стаціонарному режимі.

Для створення режиму генерації у діоді з p-n -переходом потрібні значно більші нерівноважні концентрації носіїв струму порівняно з тим, які виникають з умови інверсної заселеності. Ця залежність від різних механізмів поглинання і розсіювання випромінювання в напівпровіднику. Створення такої великої концентрації нерівноважних носіїв, у свою чергу, потребує підвищення густини струму збудження. Отже, вироджені заселеності електронів і дірок можуть утворитися в області переходу діода з великою концентрацією домішок при прикладанні до p-n -переходу досить прямої напруги зміщення.

На початку встановлення інверсної заселеності електрони і дірки починають мимоволі рекомбінувати і випромінювати при цьому кванти світла, які цілком хаотично розподілені у часі, напрямі та поляризації, тобто маємо некогерентне випромінювання. Більша частина цих квантів світла виходить з області p-n- переходу, не впливаючи на поведінку переходу.

Проте та частина квантів, які рухалися, майже точно в площині p-n -переходу, залишається на значний час в області інверсії заселеностей. У зв’язку з цим вони можуть спричинити утворення додаткових квантів від вимушеного випромінювання. Новоутворенні кванти є точними “копіями” попередніх. Вони також продовжують рухатися вздовж площини переходу, викликаючи на своєму шляху додаткове вимушене випромінювання. Таке випромінювання обумовлене спонтанною рекомбінацією. Отже воно ще не когерентне і називається супервипромінюванням. Для створення когерентного оптичного випромінювання треба передати частку супервипромінювання знову в область переходу. Такий зворотний зв’язок створюється резонатором, тобто двома, строго паралельними гранями напівпровідникового зразка.

Такі резонатори газових лазерів на твердому тілі здійснюють багаторазове проходження “супервипромінювання” через область інверсії заселеностей, при чому під час кожного із них відбувається послідовне підсилення випромінювання. Такий позитивний зворотній зв’язок створює ефект, еквівалентний підвищенню рівня інжекції у напівпровіднику і перетворює підсилювач у генератор когерентного випромінювання. Генерація при малих значеннях густини струму неможлива через різні механізми поглинання і розсіяння випромінювання у напівпровіднику.

При малих густинах струму збуджується і рекомбінує невелику частина носіїв, причому внаслідок хаотичності цього процесу, випромінювання напівпровідникового діода є спонтанним, тобто немонохроматичним і некогерентним. інтенсивність такого випромінювання незначна.

З підвищенням густини струму збудження вище визначеного порогового значення випромінювання стає когерентним, різко зростає його інтенсивність і звужується ширина спектральної лінії навіть до 0,1 Å. Тобто, залежно від густини струму збудження напівпровідниковий діод з p-n -переходом може бути джерелом як некогерентного, так і когерентного випромінювання.

Отже, для роботи напівпровідникового діоду на p-n- переході у режимі когерентного випромінювання потрібне виконання трьох основних умов: 1) заселеність електронів і дірок в активній області має бути досить високою, щоб їх квазірівні Фермі розподілялися значеннями енергії більшими, ніж енергія випромінювання; 2) підсилення від вимушеного випромінювання має компенсувати витрати енергії на поглинання; 3) активна смуга в діоді має бути з резонансним типом коливань на частоті, що лежить у межах спектра вимушеного випромінювання.

Інверсія заселеностей, потрібна для виконання першої умови, створюється інжекцією носіїв (електронів і дірок) з матеріалів p-n- типів у області переходу при визначених густинах збуджуючого струму. Виконання другої умови характеризується пороговим значенням густини струму збудження. Щоб виконати третю умову, дві протилежні грані кристала мають утворювати об’ємний резонатор, тобто бути паралельним одна одній та перпендикулярним до площини p-n- переходу, у якій знаходиться максимальне випромінювання.