1. Введение.
Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.
2. Создание инверсной населенности в полупроводниках.
Рассмотрим собственный полупроводник. В условиях термодинамического
равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а
зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник падает поток
квантов электромагнитного излучения, энергия которых превышает ширину
запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как
образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования
электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации, сопровождающийся
образованием кванта электромагнитного излучения. Согласно правилу Стокса -
Люммля энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией
генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию
колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях
термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона
(валентная зона - зона проводимости) равна вероятности излучательного
перехода (зона проводимости - валентная зона).
Предположим, что в результате какого-то внешнего воздействия полупроводник выведен из состояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременно высокие концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Электроны переходят в состояние с некоторой энергией Fn вблизи потолка валентной зоны. Рассматриваемая ситуация иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 1. Так как все состояния вблизи дна зоны проводимости заполнены электронами, а все состояния с энергиями вблизи потолка валентной зоны заполнены дырками, то переходы с поглощением фотонов, сопровождающиеся увеличением энергии электронов становятся невозможными. Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона проводимости - валентная зона, сопровождающиеся рекомбинацией электронно-дырочных пар и испусканием электромагнитного излучения. В полупроводнике создаются условия, при которых происходит усиление электромагнитной волны. Иными словами, коэффициент поглощения получается отрицательным, а рассматриваемая ситуация отвечает состоянию с инверсной плотностью населенности.
Поток квантов излучения, энергия которых находится в пределах от hv=Ec-Ev
до
hv=Fn-Fp , распространяется через возбужденный полупроводник
беспрепятственно.
Для реализации процесса излучательной рекомбинации необходимо
выполнить два условия. Во-первых, электрон и дырка должны локализоваться в
одной и той же точке координатного пространства. Во-вторых электрон и дырка
должны иметь одинаковые по значению и противоположно направленные скорости.
Иными словами, электрон и дырка должны быть локализованы в одной и той же
точке k-пространства. Так как импульс образующегося в результате
рекомбинации электронно-дырочной пары фотона значительно меньше по
сравнению с квазиимпульсими электрона и дырки, то для выполнения закона
сохранения квазиимпульса требуется обеспечить равенство квзиимпульсов
электрона и дырки, участвующих в акте излучательной рекомбинации.
Оптическим переходам с сохранением квазиимпульса соответствуют вертикальные
в k-пространстве (прямые) переходы. Сохранение квазиимпульса в процессе
излучательного перехода может рассматриватся как квантомеханическое правило
отбора (в том случае, когда в акте излучательной рекомбинации не принимают
участие третьи частицы, например, фононы или атомы примесей).Невертикальные
в k-пространстве (непрямые) переходы имеют значительно меньшую вероятность
по сравнению с прямыми переходами, так как в этом случая требуется
сбалансировать некоторый разностный квазиимпульс dk (рис. 2).
Таким образом для получения излучательной рекомбинации необходим
прямозонный полупроводник, например, GaAs. Вообще, придерживаясь строгой
теории можно доказать, что инверсная населенность возможна лишь при условии
Ec-Eg