ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Спонтанное и индуцированное излучения. Твердотельные лазеры из "Физика твердого тела " Излучение света твердыми телами, находящимися в возбужденном состоянии, обнаружено улсе давно. Так, в 1907 г. Раунд наблюдал испускание света карбидом кремния, обусловленное рекомбинацией электронов и дырок. Свечение в точке контакта металлического острия с кристаллом карбида кремния обнаружил советский физик О. В. Лосев (1923) при исследовании свойств кристаллических детекторов. [c.313] Свечение твердых тел можно получить, если возбуждать их различными методами. Некоторые процессы генерации света кристаллами схематически изображены на рис. 9.6 Эти процессы можно разделить на тепловые и нетепловые. Последние получили название процессов люминесценции. [c.313] Процесс теплового излучения можно рассматривать как обрат-, ный процессу решеточного поглощения света. [c.313] В возбужденном полупроводнике имеются неравновесные носители заряда — электроны и дырки. К излучению света приводят их рекомбинация. Рассмотрим механизмы излучательной рекомбинации более подробно. [c.314] Межзонное рекомбинационное излучение. Выше отмечалось, что поглощение света полупроводником может привести к образованию электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Если межзонный переход является прямым, то волновые векторы этих носителей заряда одинаковы к —к. Образовавшиеся свободные носители заряда участвуют в процессах рассеяния, в результате чего за время релаксации —10 с) электрон опускается на дно зоны проводимости, а дырка поднимается к потолку валентной зоны. При их рекомбинации генерируется фотон, т. е. возникает излучение света. Переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону могут быть прямыми и непрямыми (так же как переходы при поглощении света). Прямой излуча-тельный переход изображен на рис. 9.7. [c.314] В полупроводниках со сложным строением энергетических зон возможны непрямые переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону, сопровождающиеся излучением фотона. В этом случае рекомбинация свободного электрона и дырки идет с участием фонона, что обеспечивает сохранение квазиимпульса. Наиболее вероятно излучение фонона. Если в полупроводнике протекают как прямые, так и непрямые процессы межзонной рекомбинации, то в спектре излучения наблюдается две полосы люминесценции. [c.315] Рекомбинация через локализованные центры. В запрещенной зоне реальных пол) проводников имеется большое количество локализованных состояний, связанных с атомами примесей, дефектами структуры, нарушением периодичности структуры на поверхности и т. д. Эти локализованные состояния играют важную роль в процессах люминесценции. [c.315] Изучение спектров люминесценции, связанных с различными примесями и дефектами, позволяег получать информацию об этих нарушениях структуры. [c.315] Так как экситон может иметь возбужденные состояния, то излучение, обусловленное экситонной рекомбинацией, может состоять из серий узких линий, связанных с переходами из возбужденных состояний. [c.316] Переход квантовой системы из возбужденного состояния в основное может быть осуществлен как самопроизвольно, так и под влиянием внешних воздействий. В первом случае переход называют спонтанным, во втором — индуцированным (или вынужденным). Вынужденные переходы могут происходить, например, под действием фотонов, энергия которых hv—E —Ei (здесь 2 —энергия возбужденного состояния, Е[ — энергия основного состояния). Как спонтанные, так и индуцированные переходы могут быть излучательными. Излучение, возникающее при спонтанных переходах, называют спонтанным, а при вынужденных — индуцированным (или вынужденным). [c.316] Спонтанные переходы в различных частях системы осуществляются неодновременно и независимо, поэтому фазы излучаемых при этих переходах фотонов не связаны между собой. Кроме того, направление распространения излучаемого фотона и его поляризация тоже носят случайный характер. Таким образом, спонтанное излучение является некогерентным. [c.316] Нндуцированное излучение, наоборот, обладает такими же характеристиками, что и вынуждающее излучение. Индуцированные фотоны имеют ту же частоту, направление распространения, фазу и поляризацию, что и фотоны, вызвавшие вынужденные переходы. [c.316] На явлении индуцированного излучения электромагнитных волн возбужденными квантовыми системами основана работа оптических квантовых генераторов (лазеров). Принцип работы лазера можно понять, рассматривая квантовые переходы между двумя энергетическими уровнями 2 и Е (E2 Ei). [c.316] В состоянии термодинамического равновесия вероятность заполнения какого-либо энергетического уровня уменьшается с увеличением его энергии. Таким образом, в квантовой системе число частиц П2, находящихся в состоянии Е2, меньше, чем число частиц Hi в состоянии El. Другими словами, населенность верхнего уровня меньше, чем населенность нижнего. Кроме спонтанного и индуцированного излучения в такой системе может также происходить и поглощение электромагнитной энергии. Фотоны с энергией hv = E2—El поглощаются, а частицы с уровня Ei переходят на уровень Е2. Так как i 2, поглощение является доминирующим. Индуцированные переходы 2- i в этом случае лишь уменьшает коэффициент поглощения. [c.316] На рис. 9.9 изображена трехуровневая система. Если на данную систему действует излучение с частотой х=( г—Eo)/h, то она переходит в возбужденное состояние. [c.317] По трехуровневой схеме работают твердотельные лазеры на кристаллах рубина. Рубин — это кристалл корунда АЬОз с примесью ионов хрома Сг +. Инверсная населенность и индуцированные переходы осуществляются здесь между уровнями хрома. [c.317] В полупроводниковых лазерах наиболее распространенным методом создания инверсной населенности является инжекция неравновесных носителей заряда через р-/г-переход. Электронно-дырочный переход (р-п) — это переходная область, с одной стороны которой полупроводник имеет дырочную (р) проводимость, а с другой — электронную п). Необходимо отметить, что речь идет об одном образце, а не о контакте между двумя образцами р- и rt-типа. [c.317] При образовании р-л-перехода электроны из /г-области диффундируют в р-область, а дырки из р-области в л-область. В результате этого в р-области вблизи р-л-перехода образуется отрицательный объемный заряд, а в области л-типа— положительный заряд. Таким образом возникает электрическое поле р-л-перехода, которое препятствует дальнейшей диффузии носителей. Объемные заряды приводят к смещению энергетических зон. Результирующая энергетическая диаграмма р-л-перехода показана на рис. 9.10. Условия инверсной населенности означают, что верхние уровни должны быть заполнены более чем наполовину по отношению к нижним. [c.317] Следовательно, в случае р-/г-перехода носители заряда должны быть в вырожденном состоянии. На рис. 9.10,а энергетические уровни, занятые электронами, заштрихованы. [c.318] Вернуться к основной статье