10.3.     Особенности создания инверсной населенности уровней

 В полупроводниковых лазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним или с различными типами проводимости (p-n-переход).

Идеальным было бы состояние (рис. 10.9), когда верхние уровни в области 2 полностью заполнены электронами проводимости а нижние в области 1 полностью свободны от валентных электронов, т. е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсия населенности была бы наибольшей.

Формально полупроводник, в котором большинство уровней в области 2 зоны проводимости занято электронами, а в области 1 валентной зоны — дырками, можно назвать вырожденным одновременно для электронов и дырок, в то время как обычно удается создать либо электронные, либо дырочные вырожденные полупроводники. Предположим, что в такой полупроводник попадает фотон с энергией hv, большей ширины запрещенной зоны ΔW₀, но меньшей ΔW— величины, соответствующей границам областей 2 и 1, заполненных электронами и дырками:

                                                                                                         (10.34)

При этом условии будут происходить вынужденные переходы из области 2 в область 1 с испусканием новых фотонов. Если энергия падающего фотона hv>ΔW, то начнется поглощение квантов и возникнут переходы из области 3 валентной зоны, где есть валентные электроны, на свободные уровни области 4 зоны проводимости.

Рис.10.9. Состояние энергетических уровней 

В вырожденном электронном полупроводнике верхняя граница заполненной электронами области 2 в зоне проводимости приблизительно совпадает с уровнем Ферми для электронов W_Fn, а в вырожденном дырочном нижняя граница заполненной дырками области 1 в валентной зоне — с уровнем Ферми для дырок W_Fp. Поэтому

                                                                                                        (10.35)

и условие  (10.34)   для получения вынужденного излучения  запишем в виде

.                                                                                          (10.36)

Вынужденное излучение будет появляться при воздействии фотонов с энергией, заключенной в пределах от h×v_max=DW₀  до h×v_max = DW₀ = W_Fn - W_Fp. Такие фотоны всегда есть в полупроводнике вследствие процесса рекомбинации электронов и дырок. Рекомбинационное излучение имеет спонтанный характер, т. е. фотоны распределены хаотически, по времени, направлению и поляризации. «Спонтанные» фотоны вызывают вынужденное излучение, однако для получения самовозбуждения необходимо обеспечить многократное прохождение излучения через среду с инверсией населенности. Достигается это созданием отражающих поверхностей на торцах полупроводникового образца.

В полупроводниковых лазерах можно получить очень большую инверсию населенностей и высокое усиление на единицу длины вследствие высокой концентрации частиц в твердом теле. Поэтому длину образца полупроводника можно уменьшить до долей миллиметра, а требования к величине коэффициента отражения зеркал снизить.

В полупроводниках возможны следующие методы получения инверсии населенностей: инжекция носителей через р—n-переход (инжекционные лазеры), электронная накачка и оптическая накачка. Наибольшее распространение получил метод инжекции носителей.