Глава седьмая. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ (ПКГ)

7.1. Особенности и преимущества ПКГ

Основное отличие ПКГ от твердотельных и жидкостных ОКГ заключается в механизме возникновения излучения. Если в ионных ОКГ генерация вынужденного излучения происходит в результате оптических переходов между энергетическими уровнями в спектре отдельных ионов, которые образуют трех- или четырехуровневую систему, то в полупроводниковых главную роль играют переходы между зоной проводимости и валентной зоной или между зонами и уровнями, образуемыми примесями в запрещенной зоне полупроводника. Таким образом, активным веществом является сама кристаллическая матрица, а примеси служат источниками носителей зарядов: электронов и дырок, при рекомбинации которых возникают фотоны.

Полупроводник можно рассматривать как четырехуровневую квантовую систему, у которой энергетические зазоры между двумя верхними и двумя нижними уровнями очень малы. Более того, для большинства полупроводников, даже таких, как германий и кремний, верхнее состояние является метастабильным. Поэтому первым материалом, который испытывали в качестве материала для полупроводниковых квантовых генераторов, был германий.

Традиционная оптическая накачка полупроводников оказалась неэффективной, так как вследствие высокого коэффициента поглощения излучения накачки инверсная населенность создается только в тонком поверхностном слое кристалла. Поэтому для создания инверсной населенности в полупроводнике используют один из двух основных методов: либо накачку кристалла пучком быстрых электронов, либо инжекцию носителей заряда. Соответственно этим методам накачки существуют два основных типа полупроводниковых квантовых генераторов: электроннолучевые и инжекционные. Кроме этих методов накачки известны также оптическая накачка и

ударная ионизация. Наибольшее распространение и промышленный серийный выпуск получили инжекционные ПКГ, которые обладают рядом преимуществ перед другими типами ОКГ. К достоинствам инжекционных ПКГ относятся:

1) прямое превращение энергии электрического тока в когерентный свет;

2) легкость модуляции излучения в широкой полосе частот путем модуляции тока диода;

3) миниатюрные размеры;

4) простота конструкции;

5) высокий к. п. д.

В 1960-1961 гг. Майбергом США) и Басовым Н. Г., Крохиным О. Н. и Поповым Ю. М. (СССР) впервые было высказано предположение, что инжекция носителей в переход в арсениде галлия должна быть более эффективной, чем в германии, а в конце 1962 г. было получено эффективное излучение на таком инжекционном лазере. Правда, плотность порогового тока в 100 раз превышала теоретическую величину, но усовершенствование технологии позволило уже через год приблизиться к теории.

В настоящее время разработан целый ряд инжекционных ПКГ на различных материалах, охватывающий диапазон длин волн излучений от 0,63 мкм для фосфида галлия до 8,5 мкм для селенида свинца. Однако основным материалом ПКГ остается арсенид галлия с излучением на волне 0,84 мкм. Этот факт объясняется как особыми физическими свойствами арсенида галлия, так и хорошо разработанной и освоенной технологией этого материала.