Yarimo`tkazgichli lazerlar xarakteristikalarini o’rganish

---

YARIMO`TKAZGICHLI LAZERLAR XARAKTERISTIKALARINI 

O’RGANISH. 

Yarimo`tkazgichli lazer, qattiq jismli lazerlarning o`ziga xos turiga kiradi. Bu 

turdagi  lazerlarda  invers  bandlik  hosil  qilishini  va  kogerent  nurlanish  olishni 

energetik  sathlar  hamda  energetik  sohalar  asosida  tushuntirish  mumkin.  Kvant 

fizikasi asoslariga ko`ra, qattiq jism tashkil etgan atomlaridagi elektronlar ulardagi 

yadrolar bilan elektr kuchlari orqali bog’langan bo`lib, bog’lanish energiyasi diskret 

qiymatlarni  qabul  qiladi.  Yadroga  eng  yaqin  turgan  elektron  eng  kichik  diskret 

energiyaga  ega  bo`lib,  uni  eng  qiyin  energetik  sathda  joylashgan  deb  qarash 

mumkin.  Bu  yadrodan  uzoqlashgan  elektronning  energiyasi  yadroga  eng  yaqin 

turgan (ya’ni eng quyi energetik sathda joylashgan) elektronning energiyasidan katta 

bo`lib, u biror yuqori energetik sathda joylashgan deb qabul qilish mumkin.   

Elektronlar  joylashgan  sathlar  juda  ko`p  bo`ladi  va  qattiq  jismning  sohalar 

nazariyasiga  asosan  energetik  sathlar  to`plami  energetik  sohalarni  tashkil  qiladi.   

Atomdagi har bir elektronning holati to`rrta kvant soni bilan xarakterlanadi.  

   

Bosh kvant soni n (n=1,2,3,4,…) 

   

Azimutal kvant soni l (l=0,1,2,3,4,…)  

   

Magnit kvant soni m (m=-l(-l+1),….0,1,2,….,+l) 

   

Spin kvant soni m (m=1/2, m=-1/2) 

Qattiq jism atomning elektron qobig’dagi elektronlar yadro bilan bog’liqligi 

uchun  ularni  valent  elektronlar  deyiladi  va  ular  joylashgan  energetik  sathlar 

to`plamiga  o`tkazuvchanlik  sohasi  deb  qaraladi.  Valent  sohaning  eng  yuqorisida 

joylashgan  elektronlarning  yadro  bilan  bog’lanish  energiyasiga  teng  energetik 

oraliqni  taqiqlagan  soha  deb  qarash  qabul  qilingan.  Bu  soha  valent  soha  bilan 

o`tkazuvchanlik   sohalari oralig’ida joylashgan va taqiqlangan sohaning energetik  

bo`yicha  kengligi  o`tkazuvchanlik  sohasining  quyi  chegarasi  energiyasidan  valent 

sohasining eng yuqori chegarasi energiyasi ayrimasiga teng.   

       Elektronlar  energetik  sathlarning  va  sohalarning  sxematik  diametri  1-rasmda 

keltirilgan.                                 

---

  

 

1-rasm. Metallardagi elektronlar energiya sathlari keltirilgan  (a) metallardagi va 

(b) dielektrikdagi diagrammalari.  

Yarimo`tkazgich  moddalarida  energetik  sohalar  diagrammasi  1-rasmda 

ko`rsatilganidek  bo`ladi.  Faqat  taqiqlangan  sohani  kengligi  dielektriklarnikiga 

nisbatan kamroq bo`lib, qiymati bir elektron volt atrofida bo`ladi. Yarimo`tkazgichli 

kristallar asosida tuzilgan qattiq jismli  lazerlar  yarimo`tkazgichli  lazerlar deyiladi. 

Bu  lazerlarda  ruhsat  etilgan  energetik  sohalardagi  nurlanishli  kvant  o`tishlardan 

foydalaniladi.  Yarimo`tkazgichli 

faol 

muhitda  katta  optik  kuchaytirish 

ko`rsatkichiga  (

10

4

 𝑠𝑚

−1

 )  erishish  mumkin.  Bu  lazerlarda  rezonator  uzunligi  50 

mkm-1mm oralig’ida bo`ladi.  

Yarimo`tkazgichli  lazerlar  (YAL)  nihoyatda  kichikligi  bilan  birga  inertsizligi  ( 

10

−9

𝑠 ), FIK yuqoriligi (30 %), spektral tarkibini sozlab o`zgartirish  

mumkinligi,  faol  muhit  sifatida  ishlatiluvchi  moddalar  ko`pligi,    nurlanish  to`lqin 

uzunligi  l=0.3-30  mkm  bo`lishi  bilan  birga  boshqa  lazerlardan  ajralib  turadilar. 

Yarimo`tkazgichli  lazerlarda  faol  zarrachalar  erkin  elektronlar  va  kovaklar  bo`lib, 

ular faol muhitda injeksiyalanishi, diffuziyalanishi va dreyflanishi mumkin bo`lgan 

---

erkin  zaryad  tashuvchilar  hisoblanadilar.  Yarimo`tkazgichli  lazerlarda  asosiy 

damlash usuli n-p o`tish yoki geteroo`tish orqali injeksiya bo`lib, elektr energiyasini 

to`g’ridan-to`g’ri  aniq  kogerent  nurlanish  energiyasiga  aylantiradi.  Bu  injeksion 

lazer deyiladi.   

Damlashning  elektr  teshib  o`tish  usuli  (strimer  lazer),  elektron  bilan 

bombardimon qilish usuli (elektron damlashli YAL), optik damlash usullari mavjud.   

N.G.  Basov  va  uning  xodimlari  xavola  etilgan  optik  damlashli  yarimo`tkazgichli 

lazerlar n - p o`tishda GaAs kristallida birinchi marta R.  

Xoll, M.I. Neyten (AQSH) tomonidan, elektron damlashli yarimo`tkazgichli lazerlar 

esa Basov va uning xodimlari tomonidan yaratildi.  

Yarim o`tkazgichlardagi nomuvozanat holatlar. Sohalar orasidagi o`tishlarda 

nurlanish rekombinatsiyasi. Ideal yarim o`tkazgichda absolyot nol temperaturadan 

yuqori 

temperaturada 

tokni 

(yoki 

o`tkazuvchanlikni) 

hosil 

bo`lishida 

o`tkazuvchanlik  sohasida  elektronlarni  hosil  bo`lishida  issiqlik  harakati  asosiy  rol 

o`ynaydi  yoki  musbat  absolyut  temperaturada  sohalar  orasida  issiqlik  muvozanati 

hosil  bo`lishi  hisobiga  o`tkazuvchanlik  sohasida  elektronlar  hosil  bo`ladi.  Issiqlik 

muvozanati holatida bo`lgan yarim o`tkazgichlar lazer uchun yaroqsiz hisoblanadi.  

Lazerlarda  qo’llanilishi  uchun  yarim  o`tkazgichdagi  zaryad  tashuvchilar 

nomuvozanat  holatida  bo`lishi  kerak.  Yarim  o`tkazgichlarni  bu  holatga  har  xil 

yo`llar bilan o`tkazish mumkin. Lazerlarda foydalaniladigan yarim o`tkazgichlarda 

bu maqsadda uch xil usuldan foydalaniladi:    

1)  yarim  o`tkazgichlar  katta  chastotadagi  tashqi  nurlanish  bilan  yoritiladi 

(optik  uyg’otish  usuli)  optik  damlash  yordamida  ya’ni  quvvatli  kogerent  yoki 

nokogerent  nurlada  yarim  o`tkazgichli  atomlarni  yorug’lik  kvantlari  bilan;  (2-a, 

rasm)  

---

 

 

2- rasm. a) optik damlash usuli  

2)  yarim  o`tkazgichlar  elektron  oqimi  bilan  nurlantiriladi;  elektronlarni 

qo`zg’otish  usuli  bilan,  ya’ni  tezkor  elektron  oqimi  bilan  yarimo`tkazgichni 

bambardimon qilish; (2 - rasm. b)  

 

 

 2 - rasm. b) Elektronlar oqimi bilan damlash usuli  

3)  tashqi  elektr  maydonidan  foydalaniladi:  p-n  o`tishda  to`g’ri  kuchlanish 

berilganda zaryad tushuvchilarining injeksiyasi yordamida buni injeksiyasi kuzatish 

mumkin;   

---

 

 

2-rasm. c)  tashqi elektr maydonidan foydalanib damlash usuli  

Keyingi  holatda    p  –  n  o`tishlardan  foydalanish  eng  samarali  hisoblanadi. 

Zaryad 

tashuvchilarning 

konsentratsiyasi 

nomuvozanat 

bo`lgan 

yarim 

o`tkazgichlarda  nurlanish  rekombinatsiyasini  qarab  chiqamiz.  Rekombinatsiya 

jarayoni erkin zaryad tashuvchilar jufti elektron  va teshiklarning  yo`qolishiga olib 

keladigan  jarayon  hisoblanadi.  Umuman  olganda,  rekombinatsiya  tufayli  ajralib 

chiqqan  energiya  uch  xil  jarayon  ko`rinishida  amalga  oshadi:  foton  hosil  bo`lishi 

(nurlanish  rekombinatsiyasi),  panjaraning  qizishi  (fononlar  hosil  bo`lishi),  zaryad 

tashuvchilarning  kinetik  energiyasini  oshishi  (Oje  rekombinatsiyasi).  Lazer 

nurlanishi shu jarayonlarning birinchisi bilan ya’ni nurlanish rekombinatsiyasi bilan 

bog’lik.      

  

 

 

  

 3-rasm.  Soha-soha  o`tishlarida  yarim  o`tkazgichlarda  manfiy  temperatura  bo`lish 

shartiga tegishi sxema. a – o`tkazuvchanlik sohasi, b –valent sohasi    

Yuqorida  keltirilgan  shaklga  binoan  yarim  o`tkazgichlarda  nurlanish 

rekombinatsiyasi  sohalar  orasidagi  o`tishlarda  (1  strelka)  va  sohalardan  kirishma 

---

sathiga  o`tganda  (strelka  2)  hosil  bo`lishi  mumkin.  Shkala  akseptor  sathi  orqali 

rekombinatsiya ko`rsatilgan. Bu jarayonda elektron akseptor sathiga nurlanish bilan 

o`tadi  va  keyin  valent  sohasidagi  teshik  bilan  rekombinatsiyalanadi.    Bundan 

tashqari  rekombinatsiya  donor  sathi  orqali  ham  bo`lishi  mumkin.  Bunda 

o`tkazuvchanlik sohasidagi elektron donor sathiga o`tadi va undan nurlanish orqali 

valent  sohasiga  o`tadi.  Nihoyat  nurlanish  rekombinatsiyasi  ikkala  kirishma  sathi 

orqali  ham  amalga  oshishi  mumkin  (strelka  2).  Jadal  damlash  ta’sirida 

yarimo`tkazgichlarda optik kuchaytirish invers bandlik shartini o`tkazuvchanlik  

sohasining tubidagi E va valent sohaning yuqori chegarasida E bajarilganda amalga 

oshiriladi.  Ruhsat  etilgan  (o`tkazuvchanlik)  sohasining  yuqori  energetik  ishchi 

sathlarini  elektron  bilan  to`ldirish,  valent  sohaning  quyi  sathlarini  to`ldirish 

ehtimolligidan kattadir. Shu sababli majburiy nurlanishli o`tish yutilish o`tishlaridan 

ustunroq  bo`ladi.  Optik  kuchaytirish  kattaligi  damlash  intensivligiga  hamda 

nurlanish  rekombinatsiyasi  ehtimolligiga  va  temperaturaga  bog’liq  bo`ladi. 

Yarimo`tkazgichli  lazerlarda  lazer  materiali  faol  muhit  sifatida  to`g’ri  sohali 

yarimo`tkazgichlar qo`llaniladi (masalan: GaAs, CdS , PbS). Ularda nurlanishning 

kvant  chiqishi  100  %  ga  yetishi  mumkin.  To`g’ri  bo`lmagan  sohali 

yarimo`tkazgichlarda  Si  Ge    ,  xozircha  yarimo`tkazgichli  lazerlar  bunyod  etishga 

erishilganicha  yo`q.  Lekin  biz  dissertatsiyamizda    sof  yarimo`tkazgichlarda  lazer 

nurini hosil qilishni umumiy holatlarini ko`rib chiqamiz.