§ 2. ПОЛУЧЕНИЕ ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ В р-n-ПЕРЕХОДЕ

В полупроводниковых лазерах чаще всего используют прямые переходы зона проводимости — валентная зона (см. рис. 13.7). Простейшим способом получения инверсии населенностей является инжекция в область перехода неравновесных носителей тока. Если в результате пропускания сильного тока в проводящем направлении в зоне проводимости образуется избыток электронов, а в валентной зоне — дырок, возвращение в равновесное состояние после выключения внешнего поля может происходить двумя путями:

1. Энергия носителей тока при соударениях с кристаллической решеткой уменьшается до значения при данной температуре. Этот процесс представляет собой «охлаждение» носителей до температуры решетки. Обозначим характерное время спада энергии в этом процессе через

2. Происходит рекомбинация электронов и дырок, при которой освобождается некоторое количество лучистой энергии. Характерное время затухания этого процесса обозначим через

Получение инверсии населенностей в системе возможно, если . В результате рекомбинации излучаются кванты с энергией где — ширина запрещенной зоны.

Накачка системы до состояния инверсии означает, что число электронов на высшем уровне (т. е. в зоне проводимости) больше, чем на нижнем уровне (в валентной зоне). Это схематически показано на рис. 3.9 и 13.10. Следует обратить внимание на то (см.рис. 13.9, а),

Рис. 13.9. Модифицированная схема энергетических зон в р - n-переходе в отсутствие поля (а) и с полем, приложенным в проводящем направлении (б).

Заштрихованные области обозначают энергетические уровни, заполненные электронами. Можно приближенно считать, что вблизи перехода энергетическая структура состоит из двух уширенных энергетических уровней. Даже в отсутствие поля система уровней является вырожденной, так как одному и тому же значению энергии соответствуют различные электронные состояния.

что структура энергетических уровней в полупроводниковом лазере вырождена (одному и тому же значению энергии соответствуют различные электронные состояния). Если приложить к переходу электрическое поле в проводящем направлении, структура уровней приобретает вид, показанный на рис. 13.9, б. Для описания населенности уровней электронами вводят две функции Ферми, причем уровни называются квазиуровнями Ферми валентной зоны и зоны проводимости.

Чтобы -переход обладал отрицательным поглощением по отношению к излучению с частотой должно выполняться условие

которое справедливо для вертикальных (прямых) переходов. Электроны из зоны проводимости переходят в незаполненную валентную

Рис. 13.10. Зонная структура р - n-перехода и плотность состояний в ней для двух случаев: а - когда зона проводимости пуста, б — при инверсии населенностей — плотность состояний, Е и Е — квазиуровни Ферми).

Рис. 13.11. Спектр излучения полупроводникового инжекционного лазера типа в зависимости от силы тока [12].

Оптическая ось резонатора совпадает с осью боковые стороны кристалла, параллельные оси х, не отколлрованы.

зону, что эквивалентно процессу рекомбинации. При этом излучаются кванты с энергией Если ток через переход слишком мал, электролюминесценция носит спонтанный и немонохроматичный характер. По мере увеличения силы тока через переход, спектр излучения сужается, а направленность возрастает (рис. 13.11). При этом число фотонов, рождающихся в процессе рекомбинации, превышает число фотонов, поглощенных в полупроводнике.

Явления, происходящие при протекании через переход большого тока, очень сложны. Приведенную выше модель следует рассматривать лишь как грубое приближение. По-видимому, испускание фотонов может происходить при следующих процессах:

а) межзонный переход,

б) переход между донорным уровнем и валентной зоной,

в) переход между экситонным состоянием и валентной зоной,

г) переход между экситонным состоянием и донорным уровнем,

д) переход между донорным и акцепторным уровнями. Возможны также иные способы получения инверсии населенностей, например бомбардировка мощным электронным пучком, приложение очень сильного электрического поля или оптическая накачка.