Ционного лазера в состоянии термодинамического равновесия

Схематическое представление полупроводниковой лазерной структуры и зонная диаграмма p - и n - областей полупроводника изображены на рис 2.

Активной частью лазерной структуры является электронно – дырочный переход.

Рис 2. Схема полупроводниковой лазерной структуры и её зонная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения (U=0).

Обозначения на рис 2: - толщина p-n- перехода;

- элементарный заряд;

- контактная разность потенциалов;

- энергетический уровень Ферми;

- высота потенциального барьера между p - и n – областями;

- дно зоны проводимости в области p – типа;

- потолок валентной зоны в области p – типа;

- дно зоны проводимости в области n – типа;

- потолок валентной зоны в области n – типа;

- концентрация дырок в p – области;

- концентрация свободных электронов в p – области;

- концентрация свободных электронов в n – области;

- концентрация дырок в n – области.

Для изготовления инжекционных лазеров используют арсенид галлия GaAs, а так же твёрдые растворы арсенид – фосфид галлия GaAs_1-xP_x (при х<0.4), арсенид индия InAs и другие полупроводниковые материалы. Наибольшее распространение получили инжекционные лазеры из арсенида галлия. В качестве исходной заготовки для таких лазеров служит монокристалл GaAs, по форме приближающийся к кубу или параллепипеду с ребрами длиной в несколько десятых долей миллиметра.

Материал, из которого приготовлен лазер, является вырожденным полупроводником. В вырожденных полупроводниках p – типа энергетический уровень Ферми находится в валентной зоне ниже уровня , а в вырожденных полупроводниках n – типа уровень Ферми находится в зоне проводимости выше уровня (см рис 2).

Мы видим, что инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый диод с вырожденным p – n – переходом. Отсюда его второе название – лазерный диод.

Если лазер не подключен к источнику внешнего напряжения , то через p-n-переход не протекает электрический ток и отсутствует инжекция носителей заряда. Такие состояния характеризуются равновесием носителей заряда, при котором в p- области концентрация электронов проводимости значительно меньше концентрации дырок и меньше концентрации электронов в валентной зоне. Это состояние называется состоянием с нормальной заселённостью энергетических уровней. Согласно функции распределения Ферми – Дирака при нормальной заселенности уровней имеем неравенство:

, (2)

где – концентрация электронов вблизи дна зоны проводимости в p – области;

– концентрация электронов вблизи потолка валентной зоны в p – области.