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