skanuj0153

304

304

lencyjnym dziury zachowują się jak ładunki dodatnie, tworząc prąd dziurawy. Generacja pary elektron-dziura może zajść, gdy np. elektron z pasma walencyjnego zaabsorbuje i foton o energii hv>E_g lub pod wpływem pola elektrycznego. Natomiast powrotowi elektronu z pasma przewodnictwa na nieobsadzony poziom paśmie walencyjnym, czyli rekombinacji pary, towarzyszy emisja promieniowania o energii hv-E_g (rys.l 1).

Poprzez dodanie do czystego kryształu półprzewodnikowego obcych atomów (domieszkowanie), możemy zwiększyć ilość elektronów w sieci krystalicznej (półprzewodniki typu n) lub ilość dziur (półprzewodniki typu p). Jeśli zetkniemy ze sobą takie dwa materiały, typu n i typu p, powstanie tzw. złącze p-n, z lokalnie przesuniętymi pasmami energetycznymi (więcej na temat złącza p-n można: znaleźć w instrukcji do ćwiczenia 18). Złącze p-n jest zasadniczym elementem każdej diody półprzewodnikowej.

Zasadę działania lasera omówimy na przykładzie prostej diody, której schemat przestawiono na rys. 12. W celu otrzymania akcji laserowej należy doprowadzić do inwersji obsadzeń poziomów kwantowych. Diody laserowe różnią się jednak tym od laserów gazowych, że zamiast dyskretnych poziomów

inwersja obsadzeń

pnewodm

pasmo

,    , .    Wb*

fotop^^y    h/W*

Rys.13. Emisja wymuszona w złączu p-n

atomowych mamy do czynienia z szerokimi pasmami energetycznymi. Inwersja obsadzeń polega na przeniesieniu dostatecznie dużej liczby elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys. 13). Uzyskuje się ją przez przepuszczanie dużych prądów przewodnictwa przez diodę i wstrzykiwanie nośników ładunku do obszaru złącza p-n (pompowanie elektryczne). Elektrony i dziury rekom-

binują w obszarze złącza z emisją fotonów (rys.12 i 13). Wartość natę; prądu przewodzenia, powyżej której może rozpocząć się emisja laserowa, ni zywamy wartością progową. Fotony wyemitowane w procesach rekombinaij spontanicznej dają początek emisji wymuszonej, która przy małych strata! spowodowanych absorpcją i ucieczką fotonów ze złącza, dominuje nad emią spontaniczną.    *

Długość fali światła laserowego X jest uzależniona głównie od wyboru truj teriału półprzewodnikowego i rozciąga się od podczerwieni aż do obszaru wj dzialnego (dla diody z arsenku galu, GaAs, X=670 nm). Ponadto długości f emitowanych przez daną diodę laserową rosną ze wzrostem temperatury kryj tału. Naturalnie łupane, niepolerowane ścianki kryształu spełniają zwykle ro rezonatora o zdolności odbicia rzędu 30%.    |!

Lasery półprzewodnikowe najnowszych konstrukcji cechuje wysoka dajność (25 do 30%), małe rozmiary, prostota budowy, długi czas życia, łaj twość modulacji mocy wyjściowej przez kontrolę prądu płynącego przez złącze.    jj

Rozbieżność wiązki laserowej spowodowana jest dyfrakcją promieni zachodzącą w czasie opuszczania warstwy aktywnej. Wiązka z diody laserową] ma przekrój w przybliżeniu eliptyczny, co spowodowane jest różnicą wymiarów obszaru aktywnego w kierunku równoległym i prostopadłym do złączja. Powyżej wartości progowej prądu wiązka laserowa jest spolaryzowana ^ płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny złącza p-n. Ponieważ nie można wy eliminować całkowicie emisji spontanicznej, wiązka ta zawsze będzie zawiera ła pewien procent światła niespolaryzowanego.

Opisana powyżej prosta dioda laserowa, która stanowi pojedyncze złącj p~n wytworzone w jednorodnym związku półprzewodnikowym, np. GaAs, EE stosunkowo małą wydajność. Obecnie coraz bardziej rozpowszechnione są li sery zbudowane z podwójnych, niejednorodnych złączy (np. GaAs-GaAlAśj Zastosowanie dwóch złączy w laserze pozwala na zlokalizowanie wstrzykiwa nych nośników ładunku w wąskim obszarze i obniżenie wartości progowa prądu. W celu poprawienia lokalizacji warstwy aktywnej stosuje się struktur krystaliczne, ograniczające wnękę w kierunku równoległym do złącza.

Literatura

[1]    I.W.Sawieliew: Kurs fizyki, t.l. PWN, Warszawa 1989.

[2]    I.W.Sawieliew: Kurs fizyki, t.2. PWN, Warszawa 1989.