Полупроводниковые лазеры

система переходов

Рис.2.47.Трехуравневая система переходов

Полупроводниковые источники света основаны на способности НЗ излучать энергию при рекомбинации. Для того, чтобы излучение обладало достаточной мощностью необходимо обеспечить стимулированное излучение, когда фотон, энергия которого равна разности энергий двух уровней, стимулирует переход электронов с верхнего возбуждённого уровня на нижний с излучением квантов полностью аналогичных первоначальному фотону по частоте и поляризации. Для этого необходимо как минимум три энергетических уровня (рис.2.47). Это обусловлено тем, что вероятность переходов атомов с одного энергетического уровня на другой прямо пропорциональна населенности исходного уровня. Если система находится в состоянии равновесия, то заселённость уровней определяется статистикой Максвелла-Больцмана, согласно которой населённость уровней экспоненциально убывает с ростом энергии. Поэтому в двухуровневой системе генерация не может возникнуть, так как в ней более вероятны процессы поглощения, связанных с переходом атомов с основного наиболее заселенного уровня в состояние с большей энергией. Любой излучённый квант тут же поглощается, переводя электрон из нижнего энергетического состояния в верхнее энергетическое состояние. Инверсия населенности уровней создаётся путём возбуждения переходов 1-3. Этот процесс называется накачкой. В полупроводниковых лазерах накачка производится путем пропускания сравнительно большого тока через р-п переход в прямом направлении (накачка разрядом постоянного тока). Поэтому полупроводниковые лазеры часто называют инжекционными. Первоначальное спонтанное излучение кванта света с частотой

стимулирует другие переходы между уровнями 3-2 и в результате происходит лавинообразное размножение квантов света. Необходимо отметить, что время жизни электронов на уровне 2 должно быть меньше, чем на уровне 3, иначе инверсия населенности исчезнет. Кроме этого необходимо учитывать, что максимальный КПД трехуровневой системы определяется выражением

поэтому верхний лазерный уровень необходимо выбирать максимально возможным значением энергии Е3 , а нижний - с минимально возможным значением энергии Е2.

Для достижения лазерного режима необходимо выполнение трёх основных требований:

  • 1. Накачка электронов с нижнего уровня (1) на верхний (3) для создания инверсии населённости уровней.
  • 2. Наличие большой концентрации электронов на верхнем уровне (3), чтобы интенсивность стимулированного излучения превышала потери на поглощение в полупроводнике.
  • 3. Наличие резонатора для обеспечения положительной обратной связи (отражения части фотонов обратно в полупроводник для поддержания генерации).

Структура лазера на основе р-п-перехода представлена на рисунке 2.48.

Усиление спонтанного излучения происходит в результате отражения от торцов кристалла, покрытых зеркально отражающей поверхностью. Для вывода излучения за пределы резонатора одно из зеркал делают полупрозрачным. Многократно отражаться (а, следовательно, и усиливаться) будут только те лучи, которые падают на зеркальные поверхности кристалла перпендикулярно. В силу этого излучение, вызванное индуцированными переходами, сосредоточено в пределах малого телесного угла. Поэтому возникает узко направленный пучок энергии большой интенсивности.

Современные полупроводниковые лазеры изготавливаются из GaAs, InP GaAs+GaP. Они имеют КПД около 40% и обеспечивают мощность 106 Вт/см2. Длина волны находится в пределах от 0,31 мкм (InAs) до 0,84 мкм (GaAs).

Солнечные батареи

Солнечные батареи являются элементами, в которых под влиянием ос-

структура лазера с р-п переходом, имеющим форму резонатора Фабри-Перо

Рис.2.48.Основная структура лазера с р-п переходом, имеющим форму резонатора Фабри-Перо. 1-грубо обработанная поверхность; 2- омические контакты; 3 -когерентное излучение; 4 - полупрозрачные зеркальные параллельные поверхности (резонатор Фабри-Перо) вещения на р-п-переходе возникает вентильная фото ЭДС.

Солнечная батарея состоит из неглубокого р-п-перехода созданного, например, диффузией, верхнего полоскового омического контакта и нижнего омического контакта, который полностью покрывает всю нижнюю поверхность.

Современные солнечные батареи изготавливаются на основе Si и GaAs и имеют КПД 10-15%.

(а) и разрез структуры (б) типовой солнечной батареи

Рис.2.49.Топология (а) и разрез структуры (б) типовой солнечной батареи

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >