Для создания инверсии населенностей в p-n-переходе нужно приложить к р-n- переходу прямое напряжение V>DE0/e.Тогда уровни Ферми расходятся на интервал больше ширины запрещенной зоны DE0 и через р-n- переход потечет электрический ток, состоящий из движущихся навстречу друг другу электронов и дырок. Эти два потока встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, испуская фотоны.
Если вероятность заполнения электронами верхних уровней вблизи дна зоны проводимости больше вероятности заполнения нижних уровней вблизи потолка валентной зоны, т.е. отношение населенностей верхних и нижних уровней электронами больше единицы, то выполняется условие инверсии населенностей. Чтобы это условие выполнялось, необходимо пропускать ток через р-n- переход больше порогового. Тогда переход является усиливающей средой с отрицательным коэффициентом поглощения.
Для получения генераций необходимо ввести обратную связь, поместив p-n-переход между параллельными зеркалами. Роль таких зеркал выполняют естественные плоскости кристалла полупроводника, получающиеся обычно скалыванием кристалла по плоскостям наименьшей спаянности (для GaAs по плоскостям 100). Эти плоскости расположены перпендикулярно плоскости р-n -перехода и образуют интерферометр Фабри - Перо.
Инжектированный в р-область электрон рекомбинирует с дыркой валентной зоны, испуская фотон, который, в свою очередь, вызывает рекомбинацию другого электрона с дыркой и излучение такого же фотона, тождественного по частоте, направлению, поляризации и фазе с фотоном, вызвавшим рекомбинацию. После многократного отражения фотонов от параллельных плоскостей кристалла число вынужденных переходов электронов из зоны проводимости в валентную зону возрастает и происходит вынужденное излучение света из р-области р-n- пере-хода.
Толщина излучающего слоя составляет »2 мкм, длина излучающей части ~1 мм. Минимальное значение плотности порогового тока при 77 К ~100 А/см2. Длина волны излучения ~8200...9000 Å.
Инжекционные лазеры из арсенида галлия при 77 К излучают в импульсном режиме мощность до 100 Вт.
2. Инжекционный гетеролазер
Гетеролазер выполняется на основе структуры, в которой активный слой (d-область с инверсной населенностью) имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем прилегающие к нему n- и р- эмиттеры.
На рис.17.9 показаны схематическое изображение изменения ширины запрещенной зоны (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) гетеролазера с узкозонным полупроводником (GaAs), заключенным между двумя широкозонными (AlxGa1-xAs)
Рекомбинация носителей заряда происходит в d- области с инверсной населенностью, получаемой инжекционным способом, и для ее достижения не требуется высокого уровня легирования эмиттеров и тем более их вырождения. Уровень легирования активной области может быть произвольным и определяется только условиями получения максимального квантового выхода и минимального порогового тока.
Благодаря потенциальным барьерам на границах гетеропереходов отсутствуют рекомбинационные потери в пассивных областях и электронно-дырочная плазма заключена в потенциальной яме среднего слоя. Вследствие заметной разницы диэлектрических постоянных средний слой играет роль высококачественного волновода. В такой структуре потери светового излучения в пассивных областях малы, внешний и внутренний квантовые выходы практически совпадают и имеется принципиальная возможность получения квантового выхода, близкого к 100 %.
1. Каким законом статистической физики обусловлено выравнивание уровней Ферми при образовании р-n- перехода?
2. Как изменится отношение коэффициента диффузии к подвижности электронов в полупроводнике при увеличении температуры в два раза?
3. Получить уравнение вольт-амперной характеристики диффузионного р-n -перехода.
4. Отношение добавочного тока I к току насыщения фотодиода равно 2. Во сколько раз изменится фотоЭДС, если световой поток увеличить в 3 раза?
5. Получить уравнение вольт-амперной характеристики СИ-транзистора. Сравнить с уравнением вольт-амперной характеристики вакуумного диода.
6. Объяснить механизм возникновения вынужденного излучения в вырожденном p-n- переходе и невырожденном гетеропереходе.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.