- •Исследование характеристик полупроводниковых лазеров
- •Введение
- •2. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •3. Полупроводниковый гетеропереход
- •4. Анизотипный гетеропереход
- •5. Энергетическая зонная диаграмма анизотипного гетероперехода.
- •6. Квазиуровни Ферми в анизотипных гетеропереходах.
- •7. Излучательная рекомбинация в p-n-гетеропереходе.
- •8. Условие вынужденного излучения в p-n-гетеропереходе, условие бкп.
- •9. Условие для усиления света в активной области
- •10. Двусторонний гетеропереход
- •11. Условие возникновения генерации в гетеролазерах.
- •12. Выполнение работы
- •12.1 Экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляризации лазерного диода от тока накачки Iн
- •12.2 Исследование степени когерентности лазерного диода
- •12.3 Измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода.
- •13. Задание
8. Условие вынужденного излучения в p-n-гетеропереходе, условие бкп.
Для получения вынужденного излучения из активной области гетероперехода необходимо выполнение условия, при котором скорость вынужденного излучения превосходит скорость поглощения:
S(вын.) > S(погл.). (32)
Используя выражения (27), (29) и (30) получаем:
где f1и f2 определяются формулами (26).
Постановка выражений f1и f2 из (26) в (33) дает:
из которого следует:
или:
Итак, необходимое условие вынужденного излучения означает, что энергетическое разделение квазиуровней Ферми в активной зоне должно превосходить энергию излучаемого фотона.
Справедливости ради, назовем условие (34) условием БКП в честь авторов идеи получения вынужденного излучения в полупроводниковом p-n-переходе Басова, Крохина и Попова.
9. Условие для усиления света в активной области
Взаимодействие потока фотонов с энергией с активной зоной гетероперехода приводит к изменению плотности этих фотонов определяемой разностью скоростей переходов между уровнями двухуровневой системы:
где S21=S21(спон.)+S21(вын.) ; S12=S12(погл.)
За время dt фотоны проходят в активной зоне вдоль границы соединения гетеропары расстояние
n- показатель преломления полупроводника в активной зоне.
Вместо (35) получим:
Введем вместо , выражение для потока фотонов через интенсивность Тогда (36) преобразуется к следующему виду:
Из этого выражения следует, что если , то при прохождении потока фотонов через активную область расстояние равное dz, происходит уменьшение их интенсивности ( ).
Используя соотношения (27), (28) и (29) уравнение (37) преобразуется к
виду:
В условиях, когда вынужденное излучение превалирует над сион'ганным и (лучением, имеем:
или с учетом (30):
Решением этого уравнения является экспоненциальная зависимость :
где - постоянная, определяемая как первоначальная интенсивность света при z= 0. Обозначая через α, называемым коэффициентом поглощения, зависимость (40) можно записать в общеизвестной форме:
При значениях α > 0 формула (41) описывает процесс поглощения фотонов в активной зоне гетеролазера. Если же в активной зоне созданы условия, при которых α < 0, то эта формула описывает закон экспоненциального рост интенсивности света при прохождении через активную область. Условие α < 0 выполняется, если .
Это условие автоматически выполняется, когда активная область удовлетворяет требованию БКП, т.е.
Таким образом, если приложенное внешнее напряжение прямого смещения достаточно для создания и поддержания условия БКП, т.е. инверсной населенности уровней, то в активной области гетероперехода происходит усиление света.
10. Двусторонний гетеропереход
Двусторонний гетеропереход получается объединением в одном кристалле двух гетеропереходов таким образом, что полупроводник с узкой шириной запрещенной зоны находится между двумя другими полупроводниковыми слоями с широкой запрещенной зоной. Для излучателей интересен случай, когда один из этих гетеропереходов анизотипный (p-N-гетеропереход), а другой изотипный (p-P-гетеропереход).
Энергетическая диаграмма двустороннего гетероперехода при приложении к нему внешнего напряжения положительной полярности величиной U, показана на рис. 3.
Слой узкозонного полупроводника в рассматриваемом двустороннем гетеропереходе выполняет функции активной области.
Рис.3. Энергетическая диаграмма двустороннего гетероперехода при приложении к нему внешнего напряжения положительной полярности величиной U
Состояние инверсной населенности уровней в активной области (или возбужденное состояние) характеризуется заполненными состояниями электроном
в зоне проводимости до квазиуровня и свободными состояниями электронов выше квазиуровня в валентной зоне.
Как видно из рис.3 при , в активной области создается инверсная населенность, т.е. в зоне проводимости между уровнями и имеются свободные электроны, а в валентной зоне между уровнями и свободнее дырки. Энергетические барьеры и , ограничивают распространение неосновных носителей вне активной области. Эти потенциальные барьеры ограничивают как неосновные носители, так и основные носители в активной области двусторонней гетероструктуры. Область инверсной населенности занимает всю активную область с толщиной d. Кроме того, благодаря разности показателей преломлений узкозонного и широкозонных полупроводников, активная область имеет волноводный эффект, позволяющий значительно уменьшить внутренние оптические потери.