Lazer yuqori direktiv nurli nurli monoxromatik kogerent yorug'lik manbai hisoblanadi

Spontan o'tishlar yuqori darajadan pastgacha har doim mavjud bo'ladi va bu holda chiqariladigan yorug'lik kvantlari mavjud bo'ladi. tasodifiy taqsimot tarqalish fazasi va yo'nalishi bo'yicha (bo'lmaydi izchil), keyin o'z-o'zidan rekombinatsiyalanuvchi elektron-teshik juftlarini yaratish uchun nasos energiyasining sarflanishi yo'qotishlarga bog'liq bo'lishi kerak.
Nasosning har qanday usulida elektronlar yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanlik zonasiga tashlanadi, energiya kvazi-Fermi darajasining energiyasidan kattaroqdir. F C. Ushbu elektronlar panjara nuqsonlari bilan to'qnashuvda energiyani yo'qotib, tezda kvazi-Fermi darajasiga tushadi - bu jarayon deyiladi. termalizatsiya. Elektronlarning panjara nuqsonlari ustida tarqalishi paytida yo'qotadigan energiya issiqlik yo'qolishidir.
TO qisman olinadigan yo‘qotishlar sabab bo‘lishi mumkin radiatsion bo'lmagan rekombinatsiya. To'g'ridan-to'g'ri bo'shliqli yarimo'tkazgichlarda chuqur nopoklik darajasi odatda radiatsiyaviy bo'lmagan rekombinatsiya uchun javobgardir (qarang: "Bir hil yarimo'tkazgichlarda fotoelektr effekti"). Yarimo'tkazgich kristalini bunday darajalarni hosil qiluvchi aralashmalardan yaxshilab tozalash radiatsiyaviy bo'lmagan rekombinatsiya ehtimolini kamaytiradi.
Va nihoyat, yo'qotishlar rezonanssiz yutilish va yana qochqin oqimlari lazerlarni ishlab chiqarish uchun foydalanish orqali sezilarli darajada kamayishi mumkin heterostrukturalar.
An'anaviy p-n o'tkazgichlardan farqli o'laroq, bir xil yarim o'tkazgichlar aloqa nuqtasining o'ng va chap tomonida joylashgan bo'lib, faqat aralashmalar tarkibi va o'tkazuvchanlik turi bilan farqlanadi, kontaktning har ikki tomonidagi geterostrukturalarda turli xil kimyoviy tarkibdagi yarim o'tkazgichlar mavjud. Ushbu yarim o'tkazgichlarda turli xil tarmoqli bo'shliqlari mavjud, shuning uchun aloqa nuqtasida elektronning potentsial energiyasida ("kanca" turi yoki "devor" turi (6-rasm)) "sakrash" bo'ladi.


6-rasm. Termodinamik muvozanat holatida (chapda) va ish rejimida (o'ngda) ikki tomonlama heterostrukturaga asoslangan in'ektsiya lazeri.
Yarimo'tkazgich o'tkazuvchanligining turiga qarab, heterostrukturalar bo'lishi mumkin izotip(p-P; n-N heterostrukturalari) va anizotip(p-N; n-P heterostrukturalari). Bosh harflar Geterostrukturalarda kattaroq diapazonli yarimo'tkazgichni belgilash odatiy holdir. Har qanday yarimo'tkazgichlardan uzoqda, ular asosida elektron qurilmalarni yaratish uchun mos bo'lgan yuqori sifatli heterostrukturalarni shakllantirishga qodir. Interfeys imkon qadar kamroq nuqsonlarni o'z ichiga olishi uchun heterostrukturaning tarkibiy qismlari bo'lishi kerak. xuddi shu kristall tuzilishi va juda yaqin qiymatlar panjara doimiysi. A III B V guruhining yarim o'tkazgichlari orasida faqat ikkita juft birikma bu talabga javob beradi: GaAs-AlAs va GaSb-AlSb va ularning qattiq eritmalar(Kirishga qarang), ya'ni. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Yarimo'tkazgichlar tarkibini murakkablashtirib, heterostrukturalarni yaratish uchun mos keladigan boshqa juftlarni tanlash mumkin, masalan, InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. Inyeksion lazerlar, shuningdek, PbTe-Pb x Sn 1- x Te kabi A IV B VI yarimo'tkazgich birikmalari asosidagi geterostrukturalardan tayyorlanadi; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - bu lazerlar spektrning uzoq infraqizil hududida chiqaradi.
Yo'qotish qochqin oqimlari heterolazerlarda, geterostrukturani tashkil etuvchi yarimo'tkazgichlarning tarmoqli bo'shliqlaridagi farq tufayli deyarli butunlay yo'q qilinishi mumkin. Haqiqatan ham (3-rasm), teskari populyatsiya sharti qanoatlantiriladigan odatiy pn o'tish joyi yaqinidagi d hududining kengligi bor-yo'g'i 1 mkmni tashkil etadi, birlashma orqali yuborilgan zaryad tashuvchilar esa L n + L ancha kattaroq mintaqada rekombinatsiyalanadi. p 10 mkm kengligida. Ushbu mintaqada tashuvchining rekombinatsiyasi kogerent nurlanishga hissa qo'shmaydi. IN ikki tomonlama N-p-P heterostrukturasi (6-rasm) teskari populyatsiyaga ega mintaqa tor bo'shliqli yarimo'tkazgichning qatlam qalinligi bilan mos keladi heterolazerning markazida joylashgan. Deyarli hammasi keng bo'shliqli yarimo'tkazgichlardan bu hududga AOK qilingan elektronlar va teshiklar va u erda qayta birlashing. Keng va tor yarimo'tkazgichlar orasidagi interfeysdagi potentsial to'siqlar zaryad tashuvchilarning "tarqalishi" ga yo'l qo'ymaydi, bu an'anaviy (3-rasm) p-n birikmasiga nisbatan bunday strukturaning samaradorligini keskin oshiradi.
Tor bo'shliqli yarimo'tkazgich qatlamida nafaqat muvozanatsiz elektronlar va teshiklar, balki to'plangan bo'ladi. radiatsiyaning katta qismi. Bu hodisaning sababi shundaki, geterostrukturani tashkil etuvchi yarimo'tkazgichlar sinishi ko'rsatkichi bo'yicha farqlanadi. Qoida tariqasida, tor bo'shliqli yarimo'tkazgich uchun sinishi ko'rsatkichi yuqori bo'ladi. Shuning uchun ikkita yarim o'tkazgich chegarasiga tushish burchagiga ega bo'lgan barcha nurlar
, (20)
boshdan kechiradi umumiy ichki aks ettirish. Binobarin, nurlanish faol qatlamda "qulflangan" bo'ladi (7-rasm), bu esa yo'qotishlarni sezilarli darajada kamaytiradi. rezonanssiz yutilish(odatda bu "erkin zaryad tashuvchilar tomonidan so'rilish" deb ataladi).

7-rasm. Geterostrukturada yorug'likning tarqalishidagi optik cheklanish. th dan kattaroq tushish burchagida, geterostrukturani tashkil etuvchi yarimo'tkazgichlar orasidagi interfeysdan umumiy ichki aks ettirish sodir bo'ladi.
Yuqoridagilarning barchasi geterolazerlarda olish imkonini beradi ulkan optik kuchaytirish faol hududning mikroskopik o'lchamlari bilan: faol qatlam qalinligi , rezonator uzunligi  . Geterolazerlar xona haroratida ishlaydi uzluksiz rejim, va xarakterli ish oqimining zichligi 500 A/sm 2 dan oshmasligi kerak. Radiatsiya spektri ish muhiti bo'lgan eng ko'p sotiladigan lazerlar galliy arsenid, spektrning yaqin infraqizil hududida maksimal bo'lgan tor chiziqni ifodalaydi  , ko'rinadigan nurlanishni chiqaradigan yarimo'tkazgichli lazerlar va uzoq infraqizil mintaqada chiqaradigan lazerlar ishlab chiqilgan bo'lsa-da.  .
Ushbu turdagi lazerlarda faol muhit yarim o'tkazgich kristalidir. Eng keng tarqalgan nasos usuli kristall orqali oqim o'tkazishdir.
Yarimo'tkazgichli in'ektsiya lazeri ikki elektrodli qurilmadir danp-n- o'tish (shuning uchun "lazer diodi" atamasi tez-tez ishlatiladi), bunda kogerent nurlanishning paydo bo'lishi to'g'ridan-to'g'ri oqim o'tganda zaryad tashuvchilarni in'ektsiya qilish bilan bog'liq. p-n- o'tish.
In'ektsiya lazerining faol muhiti (3.23-rasm) o'rtasida joylashgan ingichka to'rtburchak parallelepipedga joylashtirilgan. R Va n yarimo'tkazgich strukturasining qatlamlari; qalinligi d faol maydon taxminan 1 mkm. Kristalning sayqallangan yoki maydalangan uchlari (kengligi w), optik jihatdan tekis va qat'iy parallel qilingan, bunday dizaynda optik rezonator sifatida ishlaydi (Fabry-Perot rezonatoriga o'xshash). Jilolangan kristall tekisliklarda optik nurlanishning aks ettirish koeffitsienti 20-40% ga etadi, bu esa qo'shimcha texnik vositalardan (maxsus nometall yoki reflektor) foydalanmasdan kerakli ijobiy fikrni ta'minlaydi. Biroq, kristallning yon yuzlari qo'pol sirtga ega, bu esa ulardan optik nurlanishning aks etishini kamaytiradi.