§ 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.
