1 Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры – это оптоэлектронные устройства,
генерирующие когерентное излучение при пропускании через них
электрического тока. Так же, как и у других лазеров (рубиновый лазер
или лазер на смеси He - Ne), излучение п/п лазера высоко
монохроматично (имеет узкую спектральную полосу) и создает строго
направленный луч света [3].
В качестве активной среды для полупроводниковых лазеров необходимо использовать прямозонные материалы, и, таким образом, обычные одноэлементные полупроводники, например, Si или Ge, здесь не подходят. Большая часть материалов для полупроводниковых лазеров основано на соединениях элементов III группы периодической таблицы (например, А1, Ga, In) с элементами V группы (такими, как N , Р, As, Sb) — так называемые соединения группы A_III B_V . Один из наиболее известных примеров — материал GaAs, а также тройные (AlGaAs, InGaAs) и четверные (InGaAsP) сплавы. Длина волны непрерывного излучения лазера на соединениях группы A_III B_V , в основном, лежит в диапазоне 630-1600 нм. В последнее время были разработаны вызывающие большой интерес полупроводниковые лазеры на структуре InGaN, которые обеспечивают непрерывное излучение при комнатной температуре в синей области спектра (~410 нм). Такие лазеры обещают стать наиболее перспективными из имеющихся полупроводниковых лазеров для генерации лазерного излучения в очень важном сине-зеленом диапазоне длин волн. Однако полупроводниковые лазерные материалы не ограничиваются только соединениями группы A_III B_V .
Стоит отметить, что для сине-зеленого края спектра существуют широкозонные полупроводники, в которых используются соединения элементов II группы (например Cd и Zn) с элементами VI группы (S, Se), — так называемые соединения группы A_II B_VI. Для другого конца электромагнитного спектра можно отметить полупроводники, основанные на некоторых соединениях группы A_IV B_VI , например свинцовые соли элементов S, Se и Те, позволяющие получить излучение в средней инфракрасной области (от 4 мкм до 29 мкм). Однако из-за малой ширины запрещенной зоны эти лазеры требуют охлаждения до критически низких температур (криогенные температуры). Следует отметить, что в последнее время для указанного инфракрасного диапазона (средний ИК-диапазон) были разработаны новые квантовокаскадные лазеры, не требующие для своего охлаждения криогенных температур [1].
1.1 Принцип работы полупроводниковых лазеров
Рис.1 Принцип работы полупроводникового лазера.
Принцип работы полупроводниковых лазеров можно просто объяснить с помощью рис. 1, где изображены валентная зона V и зона проводимости С полупроводника, разделенные энергетической щелью E_g(запрещенная зона). Для ясности сначала предположим, что полупроводник находится при температуре Т = 0 К. Тогда как для невырожденного полупроводника валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона проводимости будет полностью пуста (рис. 1а, на котором энергетические состояния, лежащие в заштрихованной области, полностью заполнены электронами). Теперь предположим, что некоторые электроны из валентной зоны перешли в зону проводимости посредством любого подходящего механизма накачки. Через очень малое время (примерно ~1 пс) электроны в зоне проводимости переходят на самые нижние незанятые уровни этой зоны, тогда как электроны, находящиеся в верхней части валентной зоны, также переходят на самые нижние уровни валентной зоны, оставляя, таким образом, «дырки» в верхней части этой зоны (рис. 16). Эта ситуация может быть описана с помощью введения понятия уровня Ферми ?E'?_(F_V ) для зоны проводимости и соответственно ?E'?_(F_C ) для валентной зоны. Эти уровни при температуре Т = 0 определяют для каждой зоны энергию, ниже которой состояния оказываются полностью занятыми электронами и выше которой состояния пусты. Теперь излучение может возникнуть в случае, когда электрон из зоны проводимости переходит назад в валентную зону, рекомбинируя с дыркой, — рекомбинационно-излучательный процесс, в процессе которого испускается спонтанное излучение в обычных светоизлучающих диодах (LED). При нужных условиях может возникнуть процесс вынужденного рекомбинационного излучения, ведущий соответственно к лазерной генерации. Условие, при котором фотон в полупроводнике скорее усилится, нежели поглотится, представлено простым соотношением:
E_g?h???E^'?_(F_C )- ?E'?_(F_V ) (1)
В обычном случае при Т = О К это условие можно довольно просто объяснить с помощью рис. 16, где незаштрихованная область в валентной зоне соответствует пустым состояниям, и электрон из зоны проводимости может перейти только в пустое состояние валентной зоны. Условие (1) сохраняется при любых температурах и означает, что для энергии фотона h?, определяемой выражением (1), усиление возникает в случае, когда вынужденное излучение превосходит поглощение. Чтобы выполнялось условие (1), необходимо иметь ?E^'?_(F_C )- ?E'?_(F_V )?E_g. При этом значения ?E^'?_(F_C ) и ?E'?_(F_V )зависят от интенсивности накачки, т. е. от концентрации электронов N, которые перешли в зону проводимости под действием накачки. Действительно, величина ?E'?_(F_C )=?E^'?_(F_С ) (N)с ростом N увеличивается, в то время как величина ?E'?_(F_V )=?E^'?_(F_V ) (N) уменьшается. Таким образом, для выполнения условия ?E^'?_(F_C )- ?E'?_(F_V )?E_g , т. е. когда усиление превосходит потери на поглощение, необходимо, чтобы концентрация электронов N превышала некоторое критическое значение, удовлетворяющее условию
?? E ?^'?_(F_C ) (N)- ?E^'?_(F_V (N) ) E_g (2)
Значение концентрации инжектированных носителей, удовлетворяющие условию (2), называется концентрацией прозрачности носителей N_tr .Теперь концентрация инжектированных носителей будет больше, чем N_tr, полупроводник будет характеризоваться полным коэффициентом усиления. Если поместить такую активную среду в подходящий резонатор, может возникнуть лазерная генерация. В итоге, чтобы получить лазерную генерацию, число инжектированных носителей должно достигнуть некоторого порогового значения N_th, превышающего N_trна разницу, достаточную для того, чтобы полный коэффициент усиления превзошел потери в резонаторе [1].
Накачку полупроводникового лазера можно осуществить несколькими способами, например, за счет поперечного или продольного возбуждения в объеме полупроводника пучком другого лазера или с помощью внешнего электронного пучка. Однако наиболее распространенным способом накачки является использование полупроводникового лазера, включенного по схеме диода, с возбуждением электрическим током, протекающим в прямом направлении р-n перехода [5].
2 Светодиоды
Светоизлучающий диод или светодиод (LED англ. Light-emittingdiode) — это полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.
Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении его в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода: катод (" - ") и анод (" + "), изображенные на рисунке 2.
Рис.2. Строение светодиода.
Части светодиода: полупроводниковый кристалл на подложке, корпуса с контактными выводами и оптическая система. Современные светодиоды слабо похожи на первые корпусные светодиоды, применяемые для индикации. Конструкция светодиода Luxeon, выпускаемoй компанией Lumileds, изображена на рисунке 3 [2].
Рис.3. Конструкция мощного светодиода Luxeon.
2.1 Принцип работы светодиодов
В светодиоде имеется p-n переход, как и в любом полупроводниковом диоде. При пропускании через него электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (в следствие перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не многие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Наилучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A^III B^V ( GaAs, InP и другие) и AII BVI ( ZnSe, CdTe и другие).
Изменяя состав полупроводников, можно будет создавать светодиоды для различных длин волн ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (кремния, германия или карбида кремния и другие), свет практически не излучают. В связи с развитием кремниевой технологии, активно проходят работы по созданию светодиодов на основе кремния. Сейчас начинают появляться большие надежды, связывающие с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов [4].
