Полупроводниковый лазер
Инжекционный полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый кристалл размером около 1 мм, в котором сформирован
переход (см. рис. 35.37). Две перпендикулярные к плоскости
перехода плоско-параллельные грани кристалла отполированы и служат в качестве полупрозрачных зеркал с коэффициентом отражения около 30%. Наиболее широко используется инжекционный лазер на арсениде галлия
. Область
типа получают внесением в арсенид галлия примеси теллура в концентрации
, область
типа – внесением примеси цинка в концентрации
. Это очень большая концентрация примесей. В обычных диодах она намного меньше (около
).
Ток, проходящий через переход, вбрасывает в область
перехода большое количество электронов и дырок. Само название инжекционного лазера происходит от слова “инжекция” (“инъекция”) – вбрасывание. При рекомбинации пар электрон-дырка испускаются фотоны с энергией, равной ширине запрещенной зоны
. Рассмотрим судьбу фотона, движущегося вдоль
перехода перпендикулярно к зеркальным граням. Прежде чем выйти наружу через одно из полупрозрачных зеркал, он может несколько раз отразиться от зеркал, снова и снова проходя через область
перехода. Когда такой фотон встречает на своем пути пару электрон-дырка, он вызывает их рекомбинацию, причем фотон, испускаемый при рекомбинации, имеет такую же частоту, такую же фазу и такое же направление, как и вызвавший рекомбинацию. Таким образом, луч, направленный вдоль
переходапереходу перпендикулярно к зеркалам, многократно усиливается. Часть этого луча выходит наружу через полупрозрачные зеркала. Те же первоначальные фотоны, которые пошли в сторону от оси зеркал, теряются без последствий.
Инфракрасный лазерный луч с длиной волны 0,89 мкм и с угловым расхождением около 1°, имеет мощность в непрерывном режиме около 0,2 Вт. Первые полупроводниковые лазеры приходилось охлаждать жидким азотом до температуры 77 К. Теперь наиболее распространенными являются лазеры на гетероструктурах, т. е. такие, в которых область и
область представлены разнородными полупроводниками, например,
область – арсенидом галлия
, а
область –
. Последний кристалл представляет собой тот же арсенид галлия, в котором доля
атомов галлия заменена атомами алюминия. В зависимости от доли
атомов алюминия изменяются свойства
перехода. Лазеры на гетероструктурах уже не требуют охлаждения, в зависимости от структуры могут испускать свет с длиной волны от 0,32 мкм (ультрафиолет) до 32 мкм (инфракрасные лучи), имеют КПД
. Исследования гетероструктур Жоресом Алферовым отмечены Нобелевской премией.
Изменяя ток инжекции, можно управлять излучением полупроводниковых лазеров. Благодаря этому они находят применение в световолоконных линиях связи, в лазерных принтерах компьютеров, в устройствах записи информации на компакт-диски и считывания информации с этих дисков и т. д.