6.6. Полупроводниковые лазеры

До сих пор нами обсуждались лишь атомарные и молекулярные системы, энергетические уровни которых связаны с локализованными волновыми функциями, т. е. относящимися к отдельным атомам или молекулам. Рассмотрим теперь полупроводник», для которых уже нельзя использовать волновую функцию отдельного атома; вместо этого необходимо иметь дело с волновой функцией, определяемой кристаллом в целом. Аналогично нельзя более говорить об энергетических уровнях отдельных атомов.

Принцип действия полупроводникового лазера можно рассмотреть с помощью рис. 6.37, на котором показаны валентная зона полупроводника V, зона проводимости С и ширина запрещенной зоны Если предположить для простоты, что полупроводник находится при температуре то валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона проводимости будет пуста (см. рис. 6.37, а, где заштрихованная область является областью заполненных состояний). Предположим теперь, что электроны каким-либо образом переведены из валентной зоны в зону проводимости. Внутри этой зоны электроны за очень короткое время перейдут на ее

самый нижний уровень, а все электроны вблизи максимума валентной зоны также перейдут на самые нижние из незанятых уровней, так что верхушка валентной зоны будет заполнена «дырками». Отсюда следует, что между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия населенностей (рис. 6.37, б). Электроны из зоны проводимости сваливаются назад в валентную зону (т. е. они рекомбинируют с дырками), испуская при этом фотон (рекомбинационное излучение).

Рис. 6.37. Принцип действия полупроводникового лазера.

Если между зоной проводимости и валентной зоной существует инверсия населенностей, как показано на рис. 6.37, б, то процесс вынужденного рекомбинационного излучения приведет к генерации при наличии подходящего резонатора и выполнении соответствующих пороговых условий.

Лазерную генерацию на основе вынужденного рекомбинационного излучения в полупроводниковых — -переходах наблюдали почти одновременно четыре группы исследователей в 1962 г. [29-32], причем три из них использовали GaAs.