Турли кимёвий бирикмалар асосидаги ярим ўтказгич лазерларнинг нурланиш

Ёруғлик диоди
Юқорида қайд этилганидек, ёруғлик диоди нокогерент оптик нурланишга мисол бўла олади. Бундай манбаларнинг асоси бўлиб, тўғри ўтишли ярим ўтказгич хизмат қилади (GaAs ва бошқалар). Унда ўтказувчанлик зонасидаги электронлар кристалл панжара тугунлари билан тўқнашмайди, яъни энергия миқдорини сақлаб валент электронлар зонасига ўтади ва коваклар билан қайтадан боғланади. Бундай ўтишда спонтан нурланиш вужудга келади.
GaAs ва бошқа бирикмалар асосидаги икки ёки ундан ортиқ элементлардан ташкил топган ярим ўтказгичлар кўпинча тўғри ўтишли ярим ўтказгичлар ҳисобланади ва ёруғлик осон нурлантирилади. Агар 3-4 турдаги элементлардан фойдаланилса (аралашма ярим ўтказгичлар), компонентларнинг ўзаро нисбатига мос ҳолда тақиқланган зона Е_q энергияси ўзгаради. Бу билан турли тўлқин узунликларини нурлантирувчи манбаларни яратишга имкон туғилади. Компонентларнинг ўзаро нисбатини ўзгаришидан синдириш коэффициенти ҳам ўзгаради. 7.1-жадвалда кимёвий бирикмалар асосида олинган ярим ўтказгичларнинг бир неча турлари берилган ва уларнинг оптик нурланиш диапазони кўрсатилган [4].
1-жадвал
Турли кимёвий бирикмалар
асосидаги ярим ўтказгич лазерларнинг нурланиш
соҳалари

AI, In, P ва Sb қўшимчаларга эга GaAs кристалларидан ташкил топган уч элементли кимёвий бирикмалар кенг тарқалган. Улар қуйидагича тасвирланиши мумкин:

Al_xGa_1-xAs, 0£x£1,

бу ерда х – компонент қисм (моляр масса).
Кўрсатилиб ўтилган бирикмалар λ<1 мкм ёруғликни нурлантиради. Агар InP асосида тўрт валентли кимёвий бирикма, масалан ln_x Ga_1-x As_y P_1-y тайёрланса, х ва у қисмлари нисбатидан келиб чиққан ҳолда нурланиш 1,0 дан 1,6 мкм тўлқин узунлиги оралиғида ўзгаради.
p-n ўтишли оддий ёруғлик диодининг ишлаш принципини кўриб чиқамиз (7.1-расм) [4].

1-расм. p-n - ўтишли ёруғлик нурлантирувчи диод

1-электрод.

Мувозанат ҳолатига қараганда, электрон ва коваклар концентрацияси юқори бўлганда нурланиш ҳосил бўлади. Бу ҳолатнинг қўзғалиши юқори ўтказувчанлик йўналишида p-n ўтиш орқали ташувчилар инжекцияси билан таъминланади.

n-соҳадан p-соҳага электронларни инжекциясида нурланишнинг юқори самарадорлигини таъминлаш мақсадида n-соҳани юқори легирлаш билан ва p ва n соҳалари хусусиятлари ўзгаргунча легирланган.
Инжекцияланган электронларни фақатгина маълум қисмигина нурлантириб рекомбинациялайди. Қолганлари нурланишсиз рекомбинацияларда йўқолади. Спонтан нурланиш бевосита ўтиш йўлида ҳамма йўналишлар бўйлаб p-соҳага боради. Бироқ, p-соҳада нурланишни маълум қисмигина ишлатилинади, устки юзада эса тушиш бурчагига боғлиқ ҳолда қисман ёки тўлиқ акс этади. p-n ўтишли турли материаллардан тузилган бундай ярим ўтказгичлар гетеротузилиш ёки гетероўтиш дейилади.

Нурланиш жадаллиги кучсиз холда узатиш бурчаги Ө га боғлиқ ва Ламберт қонуни орқали аниқланади:

J (Ө)=J₀ cos Ө ,

бу ерда J-нурлантирувчи юзага нормал йўналишдаги нурланиш жадаллиги.

Яъни бундай нурлантирувчи деярли йўналишга эга эмас. Уни йўналганлик диаграммаси кенглиги

ΔF(Ө)= J (Ө)/J₀ ,

нормал орқали юзага ўтувчи, ҳамма юза текислигида қувват ярим сатҳи бўйича, 120⁰ ни ташкил этади (7.2-расм)

7.2-расм. Ёруғлик диодининг йўналганлик диаграммаси.

Бундай манба учун тўлиқ нурланиш қуввати Р_о J(Ө) дан интеграл орқали аниқланади:

Р_о= J₀

Бунда оптик толага киритиш мумкин бўлган максимал қувват Р_с, сонли апертурадан аниқланади ва қуйидаги формуладан хисобланади:

Р_с= J₀ (NA)² = P_o (NA)². (7.1)

(7.1) формуладан кўриниб турибдики, ёруғлик диоди (ЁД)дан оптик толага киритиладиган қувват, унинг сонли апертураси квадратига пропорционал. NA қиймати 0,15...0,24 оралиқда танланади. Агар NA=0,2 га тенг бўлса, унда толага киритиш самарадорлиги 4% дан ошмайди, бу қувватни 14 дБга йўқотилишига мос келади.

Шу тариқа ЁДдан фойдаланиш нурланишни толага самарали киритиш муаммосини юзага келтиради. Бу муаммо нурланишни толага киритишни юқори коэффициентини таъминловчи махсус ёруғлик диодларини қайта ишлаш, шунингдек микролинзаларни қўллаш ёрдамида ҳал қилинади.
ЁДни асосий икки тури мавжуд: нурлантирувчи юзали (сиртдан нурлантирувчи) ЁД ва нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) ЁДлари. Нурлантирувчи юзали (сиртдан нурлантирувчи) ЁД тузилиши 7.3-расмда кўрсатилган[4].

3-расм. Нурлантирувчи юзали (сиртдан нурлантирувчи) ЁД тузилиши: 1-оптик тола; 2-ёпиштирувчи таркиб; 3-электрод.

Оптик тола билан физик мослашув ва ёруғликни кучли ютилишини олдини олиш учун GaAs ли сохага чуқурча ўйилади. Нурлантирувчи сохани ўлчамлари металл контакт ўлчамлари билан аниқланади ва оптик тола диаметрига мос равишда танланади. Нурни оптик толага киритишдаги йўқотишлар мослаштирувчи қурилма қўлланилмаган холда толани NA сонли апертурасига боғлиқ бўлади ва 14...20 дБ ни ташкил этади. Мослаштирувчи қурилмаларни қўллаш бу йўқотишларни камайтиришга имкон беради.

Нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) ЁД тузилиши 7.4-расмда кўрсатилган. Нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) ЁД ларда иккиталик гетеротузилиш ишлатилади.
7.5 а ва b расмларда мос равишда бир томонлама чегарали гетеротузилиш БГТ ва икки томонлама чегарали гетеротузилиш ИГТ кўрсатилган. БГТли ЁД ларда тўғри силжитиш таъсирида электронлар р-n ўтиш орқали инжекцияланади, сўнг р(GaAs)-p(Al_xGa_1-xAs) ўтишни потенциал барьери билан тутиб қолинади.

4.4-расм. Нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) ЁД нинг тузилиши.

Нурланиш рекомбинацияси кўпинча d қалинликли актив сохада рўй беради. Хосил бўлган нурланиш тузилиш қатламларини турли синдириш кўрсаткичларидан ташкил топган тўлқин ўтказгичда тарқалади.
ИГТ анча юқори хусусиятларга эга. Бундай тузилишда актив нурланиш рекомбинацияси (7.5-расм) ўнг ва чапдаги потенциал барьерлар эвазига р-соҳада (GaAs) кузатилади. Хосил бўлган ясси симметрик тўлқин ўтказгич нурланишни амалда d соҳа доирасида юзага келишига ёрдам беради[4].

5-расм. Бир (а) ва икки томонлама (b) чегарали

гетеротузилишлар.

Нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) БГТ ва ИГТларни ишлатиш нурланишни юзада тарқалишини камайтиради. Нормал p-n ўтишда тахминан 30⁰ гача камайтиради. Ўтишга параллел юзада тўлқин ўтказиш самараси бўлмаган ҳолда нурланиш манбалари Ламберт қонунларига бўйсунади ва йўналганлик диаграммаси Ө=120⁰ кенглигича қолади. Нурлантирувчи юзали (сиртдан нурлантирувчи) ЁД ларга нисбатан нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) ЁД ларни нурланиш қуввати 2-5 марта кичик бўлади. Бироқ, нурлантирувчи кесимли (ёнидан нурлантирувчи) ЁД да тарқалиш бурчагининг кичиклиги, яъни йўналганлик диаграммасининг торлиги эвазига нурни оптик толага киритишда йўқотишлар кам бўлади ва NAга боғлиқ равишда 10...16 дБни ташкил этади.