Kvant elektronikasının əsasları

2.8. Yarımkeçirici lazerlər

Yarımkeçiricilər əsasında işləyən lazerlərin özünəməxsus xüsusiyyətləri olduğuna görə əvvəlcə yarımkeçiricilər fızikasının əsas qanunlarını yada salmaq lazımdır.

Yarımkeçiricinin enerji spektri keçirici, valent və onları ayıran qadağan olunmuş enli zonalardan ibarətdir. Qadağan olunmuş zonanın eni yarımkeçiricilər üçün 10^-3 -2eV intervalında olur. Mütləq sıfır T = 0 K temperaturda valent zona tamamilə dolu, keçirici zona isə tamamilə boş olur. T ≠ 0 K və kifayət qədər böyük olarsa, elektronlar kristal qəfəsdən enerji alaraq keçirici zonaya keçə bilər. Bu halda valent zonada deşiklər əmələ gəlir. Deşik özünü müsbət yüklü zərrəcik kimi aparır. Yarımkeçiricilərdə elektron-deşik cütlərinin yaranması ilə eyni zamanda əks proses-elektronların spontan olaraq keçirici zonadan valent zonasının boş enerji səviyyələrinə keçidləri baş verir. Bu halda deşik və keçirici elektron yox olur, yəni rekombinasiya prosesi baş verir. Belə keçid nəticəsində şüalanan fotonun enerjisi elektronun E_e və deşiyin E_d enerjiləri ilə məlum düsturla ifade olunur: hv=E_e-E_d. (1)

Yarımkeçirici mühitdə (1) şərti ilə baş verən keçidlər bir-birindən asılı olmayaraq eyni zamanda yarandığına görə həmin spontan şüalanma polyarlaşmamış, isliqamətlənməmiş və enli spektrli olur. Yarımkeçiriciyə xarici təsir olmadıqda elektron-deşik cütlərinin yaranması və yox olması istilik hərəkəti və spontan şüalanma ilə bağlı olur. Elektron-deşik cütlərinin yaranmasını başqa üsulla da almaq mümkündür. Yarımkeçiriciyə clektromaqnit şüaları ilə təsir etdikdə də elektron-deşik cütləri yaranır. Bu halda fotonun enerjisi qadağan olunmuş zonanın enindən böyük olmalıdır. Aydındır ki, burada eyni zamanda rekombinasiya prosesi nəticəsində elektromaqnit dalğalarının şüalanması olacaqdır. Yarımkeçiricidə işığın udulması ilə eyni vaxtda şüalanmanın təsirilə keçirici elektronların valent zonasına keçidlərinin hesabına məcburi rekombinasiya baş verir. Məcburi şüalanma nəticəsində yaranan fotonların tezliyi, fazası yayılma istiqaməti və polyarlaşması məcbur edən sahənin həmin fıziki kəmiyyətləri ilə eynidir. Məlumdur ki, yarımkeçiricilərdə zonalar arasında baş verən keçidlər düz və çəp ola bilər. (şəkil 1). Düz keçid üçün enerji-impuls asılılığı eyni şaquli oxda yerləşən iki parabola şəklindədəir. Bu parabolaların təpələri arasındakı interval qadağan olunmuş zonanın enerjisinə bərabərdir. Düz keçid zamanı elektronun impulsu dəyişmir. Düz keçidləri olan yarımkeçiricilər əsasında lazer yaratmaq daha asandır.

Yarımkeçiricilərdə zərrəciklərin inversiya halını almaq üçün elektronların və deşiklərin qeyri-tarazlıq konsentrasiyasını yaratmaq lazımdır. Elektronların və deşiklərin enerjilərə görə paylanması Fermi-Dirak statistikasına tabedir. Elektronların və deşiklərin verilmiş temperaturda enerjilərinə görə paylanması Fermi-Dirak statistikasında aşağıdakı paylanma funksiyaları ilə verilir:

(2)

Burada F_cvə F_υ- Fermi kvazisəviyyələrinə uyğun enerjilərdir.

Mühitdə zərrəciklərin inversiya halı yaranarsa, vahid zamanda verilmiş kvant keçidində şüalanma enerjisi udulan enerjisindən çox olar.

(3) və yaxud (4) şərtindən Fermi kvazisəvviyələri üçün alırıq (5) –şərti düz keçid üçün inversiya şərtidir.

(5) şərti ödənildikdə keçirici zonanın dibinə uyğun gələn saviyyələr elektronlarla, valent zonanın yuxarı səviyyələri ısə deşiklərlə dolu olur. Fermi kvazisəviyyələri arasındakı interval qadağan olunmuş zonanın enindən böyükdür və F_c keçirici zonada, F_υ isə valent zonasında yerləşir (şəkil -2). Aydindir ki, zona-zona keçidlərində güclənmə prosesi yalniz müəyyən intervalda yerləşən tezliklər üçün mümkundür. Yarimkecirici lazerdə güclənmə əmsalının eni minimal və maksimal tezliklər intervalında yerləsir.

Yarimkeçirici lazerlərdə əks rabitə yaratmaq üçün kristalın iki müstəvi paralel səthlərindən istifadə olunur. Əgər p-n keçidindən keçən cərayan siddəti gox kiçik olarsa, elektroluminessensiya sualanması müşahidə etmək mümkündür. Cərəyan siddətinin qiyməti artdıqda yarımkeçirici lazerin süalanma spektrinin eni azalır və onun istiqamatlənməsi artir.

Injeksiya lazerlərindən ən çox yayilan qallium arsen GaAs kristalı əsasında olan kvant generatorudur. Bu lazerin sualanmasi λ = 0,84 mkm dalga uzunluğundadır.