7.3.4. Квантовый выход

Самым важным свойством ПКГ является эффективность превращения электрической энергии в свет, т. е. к.

где Ризл — мощность излучения; — падение напряжения на диоде; I — ток.

Основной количественной величиной, определяющей к. п. д. диода, является квантовый выход. Различают два понятия квантового выхода. Внутренний квантовый выход — это отношение числа фотонов, излученных в единицу времени в активном слое перехода, к числу актов рекомбинации. Идеально т. е. каждый акт рекомбинации рождает фотон. Поскольку на практике это не так, то с учетом качества перехода и резонатора используют понятие внешнего квантового выхода который характеризует отношение числа фотонов, выходящих из диода в единицу времени, к числу актов рекомбинации:

где — в ваттах; I — в амперах; — в микронах,

Поскольку

где — падение напряжения на самом переходе, то, используя выражение (7.40) и (7.41), получаем

Обычно у диодов ПКГ , и поэтому к. п. д. Внешний квантовый выход всегда меньше внутреннего, так как часть излучения поглощается в самом кристалле. Эта реабсорбция особенно ощутима для спонтанного излучения, поскольку оно испускается изотропно и попадает в сильно легированные области кристалла. Поэтому средний коэффициент пропускания очень мал для диодов без специальных покрытий Однако с возрастанием тока квантовый выход спонтанного излучения быстро возрастает в функции где Вблизи порога вынужденного излучения квантовый выход становится постоянным.

Внешний квантовый выход излучения при переходе режим генерации резко возрастает, так как вынужденное излучение выходит только в нескольких модах резонатора, распространяется только в активной области диода и направлено перпендикулярно зеркалам резонатора. Это значит, что потери на реабсорбцию и пропускание резко уменьшаются, и основными потерями становятся дифракционные потери и потери на поглощение на свободных носителях. Внешний квантовый выход с учетом сказанного равен

где — коэффициент пропускания, причем

Согласно выражению (7.44) квантовый выход вынужденного излучения уменьшается с увеличением длины резонатора Фабри — Перо, поскольку при этом неизбежно возрастают внутренние потери (рис. 7.15). С повышением температуры квантовый выход уменьшается (например, при он в пять раз меньше, чем при как за счет понижения внутреннего квантового выхода, так и за счет повышения потерь на поглощение (рис. 7.16).

Внешний квантовый выход спонтанного излучения равен

где коэффициент пропускания

— внешний и внутренний выходы спонтанного излучения; V — объем кристалла, — его поверхность.

Рис. 7.15. Зависимость квантового выхода вынужденного излучения от длины резонатора.

Рис. 7.16. Температурная зависимость квантовых выходов от диода с длиной см.

Полная мощность излучения диода выше порогового тока

где — пороговый ток.

Полный к. п. д. диода

Из выражений (7.48) и (7.49) следует, что для повышения мощности излучения и к. п. д. диода необходимо увеличить внешний квантовый выход спонтанного излучения, который очень низок для современных диффузионных диодов (примерно ).

Для повышения используют, во-первых, гетеропереходы типа подбирая их так, чтобы в области перехода величина

запрещенной зоны была наименьшей. Это уменьшает потери на реабсорбцию излучения. Во-вторых, используют специальную геометрию диода или просветляющие покрытия. Например, так как -область арсенида галлия прозрачна для излучения, то при изготовлении ее в виде полусферы свет падает на поверхность перпендикулярно, как и в резонаторе, поэтому приближается к