Принцип работы инжекционных полупроводниковых лазеров.
Работа инжекционного полупроводникового лазера является обратным процессом по отношению к продуцированию фототока, а именно: при прохождении через p - n -диод надпорогового тока в прямом направлении, область p - n -перехода излучает свет с длинами волн, соответствующими полосе оптического поглощения. Традиционно считается, что механизмом генерации света в таких лазерах является излучательная рекомбинация электронов и дырок (см., например, [29,30]). Такой подход, на наш взгляд, не выдерживает критики. При прохождении тока электронов через p - n -диод, «рекомбинация электронов с дырками» возможна не только в области p - n -перехода, но и во всём объёме p -области – однако хорошо известно, что излучает только узкая область p - n -перехода. Хуже того, названный подход допускает генерацию света при пропускании тока через моно-образец p-типа – по крайней мере, в импульсном режиме. Но ничего подобного на опыте не обнаруживается – для генерации света непременно требуется p - n -переход (гетеропереходы мы здесь не рассматриваем). И ещё: электрон, «рекомбинирующий с дыркой», по традиционной логике, покидает зону проводимости и выпадает из потока электронов, образующих ток в замкнутой цепи. Поэтому, для случая постоянного режима генерации света при стационарном токе через лазерный диод, мы приходим к противоречию: источник тока должен был бы впрыскивать в цепь всё новые и новые электроны, на смену «рекомбинирующим» - но источник, создавая ЭДС, всего лишь перекачивает электроны с анода на катод. Увы, концепция «излучательной рекомбинации электронов и дырок» представляется нам совершенно некорректной.
|
|
|
И, на наш взгляд, в механизме генерации света инжекционным полупроводниковым лазером ведущую роль играют, опять же, зарядовые разбалансы. Пусть через полупроводник проходит достаточно сильный ток – в режиме «ротации кадров» между свободными и связанными электронами (см. выше). При этом свободные валентные связки «протон-электрон» с обновлёнными электронами могут оказываться возбуждёнными – из-за кинетической энергии принятых электронов, например. Вспомним, что валентные связки пребывают в свободном состоянии в течение характерного времени tg (см. выше). Для превращения кинетической энергии электрона в энергию возбуждения валентной связки необходимо, чтобы период соответствующих колебаний зарядового разбаланса был меньше, чем tg – т.е., такое превращение возможно, начиная с пороговой энергии электрона, совпадающей с энергией кванта света на границе полосы оптического поглощения. Если возбуждение свободной валентной связки произошло, то далее может запуститься вышеописанный сценарий, как и при поглощении кванта света, а именно: превращение энергии возбуждения в энергию зарядового разбаланса того или иного знака. Тогда надпороговый ток, проходящий через p - n -диод, генерирует, преимущественно, отрицательные зарядовые разбалансы в n -области и, преимущественно, положительные зарядовые разбалансы в p -области. В соответствии с приложенным прямым напряжением, эти разбалансы в n - и p -областях мигрируют к p - n -переходу, где их потоки встречаются. При этом, в узком слое p - n -перехода некоторые атомы оказываются в состоянии, при котором на одну из его валентных связок «протон-электрон» пришёл отрицательный зарядовый разбаланс, а на другую, с другой стороны – положительный. Мы полагаем, что для такого атома запускается сценарий, по которому энергии этих двух противоположных зарядовых разбалансов превращаются в энергии возбуждения этих двух валентных связок – и эти энергии возбуждения снимаются через высвечивание. При этом генерация света возможна в полосе оптического поглощения – в соответствии с энергиями зарядовых разбалансов, которых генерирует прямой ток, проходящий через p - n -диод. По-видимому, обратный ток – если бы он превышал пороговое значение – с неменьшим успехом генерировал бы зарядовые разбалансы, но, в соответствии с обратным приложенным напряжением, их потоки были бы направлены от p - n -перехода, и вышеописанный механизм генерации света не имел бы места.
|
|
|
|
|
|
Добавим, что, по логике вышеизложенного, условием порога генерации инжекционного полупроводникового лазера является минимально достаточные количества положительных и отрицательных зарядовых разбалансов, приходящих в единицу времени к p - n -переходу с противоположных сторон. При сдвиге края полосы оптического поглощения в сторону более коротких длин волн, увеличивается минимальная энергия эффективного возбуждения свободных валентных связок «протон-электрон» проходящим током. Соответственно, в них увеличивается частота колебаний зарядового разбаланса – и, как описано выше, облегчается прохождение электронов через полупроводник. При этом увеличивается количество зарядовых разбалансов, генерируемых в единицу времени током этих электронов – а, значит, увеличиваются потоки противоположных зарядовых разбалансов к p - n -переходу. Здесь, на наш взгляд, находится разгадка того парадоксального факта, что, при сдвиге края полосы оптического поглощения в коротковолновую сторону и соответствующем увеличении энергии квантов излучения, пороговый ток накачки, как правило, уменьшается.
|
|
|
Заключение.
Мы кратко изложили качественную сторону лишь самых основных электрических и оптических феноменов в полупроводниках. Как можно видеть, правдоподобное объяснение этих феноменов возможно на основе концепции зарядовых разбалансов [5,6] – которая работает также при объяснении структуры атомов [20] и химической связи [25], структуры комплексных соединений и свойств сегнетоэлектриков [22], структуры и аномальных свойств воды [31], структуры и электропроводности металлов [21] и графита [24], свойств твёрдых диэлектриков и механизма их электрического пробоя [15].
На наш взгляд, применительно к свойствам полупроводников, концепция зарядовых разбалансов в очередной раз продемонстрировала свою эвристическую силу.
Ссылки.
1. Р.В.Поль. Учение об электричестве. «Физматгиз», М., 1962.
2. С.Г.Калашников. Электричество. «Наука», М., 1977.
3. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников. «Наука», М., 1977.
4. Л.Л.Неменов, М.С.Соминский. Основы физики и техники полупроводников. «Наука», Л., 1974.
5. А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы в «нейтральных» атомах.
6. А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы – отличительный признак валентных электронов.
7. Хенней. Физические основы теории полупроводников. В сб. «Полупроводники», глава I. «Изд-во иностранной литературы», М., 1962.
8. П.Т.Орешкин. Физика полупроводников и диэлектриков. «Высшая школа», М., 1977.
9. А.Ф.Иоффе. Полупроводники в физике и технике. Наука и техника, 1939, №6 (цит. по [4]).
10. Р.Смит. Полупроводники. «Мир», М., 1982.
11. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. «Мир», М., 1984.
12. slovari.yandex.ru , слово «дырка».
13. www.edudic.ru/bes/20131/
14. www.slovopedia.com/2/196/224553.html
15. А.А.Гришаев. Новая модель электрического пробоя твёрдых диэлектриков.
16. А.И.Шелых, Б.Т.Мелех. Физика твёрдого тела, 45, 2 (2003) 238.
17. В.Ф.Марков и др. Физика и техника полупроводников, 45, 11 (2011) 1459.
18. Гебэлл. Полупроводники IV группы. В сб. «Полупроводники», глава VIII. «Изд-во иностранной литературы», М., 1962.
19. А.А.Гришаев. Феномен сфер непроницаемости в атомах.
20. А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир», 2010.
21. А.А.Гришаев. Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества.
22. А.А.Гришаев. Переключаемые химические связи в комплексных соединениях и феномен сегнетоэлектричества.
23. K.S.Novoselov, A.K.Geim, et al. Science, 306, 22 (2004) 666.
24. А.А.Гришаев. Электродинамические силы, задающие расстояния между атомными слоями в графите.
25. А.А.Гришаев. Новый взгляд на химическую связь и на парадоксы молекулярных спектров.
26. И.Курчатов. Вентильные фотоэлементы. УФН, т.XII, вып.4 (1932) 365.
27. А.Г.Морозов. Электроника, электротехника и импульсная техника. «Высшая школа», М., 1987.
28. Н.О.Чечик. Фотоэлементы и их применение. «Гос. энергетическое издательство», М.-Л., 1955.
29. О.В.Богданкевич, С.А.Дерзнек, П.Г.Елисеев. Полупроводниковые лазеры. «Наука», М., 1976.
30. Л.А.Ривлин, А.Т.Семёнов, С.Д.Якубович. Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров. «Радио и связь», М., 1983.
31. А.А.Гришаев. Новый взгляд на структуру и аномальные свойства воды.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 310; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!