1.2.1. Виды источников излучения. Основные характеристики

1.2.2. Инжекционные светодиоды с p-n-персходами

1.2.3. Светодиоды с антистоксовыми люминофорами

1.2.4. Источники света с порошкообразными и пленочными электролюминофорами

1.2.5. Полупроводниковые инжекционные лазеры

1.2.6. Другие твердотельные лазеры

1.2.1. Виды источников излучения. Основные характеристики

Источники излучения могут быть двух основных типов, имеющих различные свойства. Тепловое излучение создается нагретыми телами и его интенсивность и спектральное распределение определяются известной формулой Планка. Из этой формулы следует, что общая энергия, излучаемая телом за 1 с, на всех длинах волн λ, растет пропорционально Т⁴ (Т—абсолютная температура), а максимум кривых излучательной способности тел φ(λ) при повышении Т сдвигается в сторону меньших длин волн (рис. 1.12, а), причем длина волны, соответствующая этому максимуму, λ_тах = b₂Т^-1 , где b₂ = 2898 мкм-К для абсолютно черного тела. На интервале от 0, λ_тах до 3 λ_тах приходится 90% всего излучения. При Т =2898 К λ_тах =1 мкм и основная часть излучения находится в инфракрасной области. Энергия квантов, соответствующих данной λ, может быть получена из формулы hν =1,24/ λ (λ выражена в микрометрах, hν — в электрон-вольтах). Значения коэффициента b₂ для вольфрама и других металлов несколько ниже (b₂ = 2660 мкм-К).

Лампы накаливания могут быть сделаны достаточно миниатюрными, но они обладают сравнительно низким к.п.д и большой инерционностью; конструкция ламп включает вакуумный баллон, что плохо согласуется с технологией полупроводниковых схем.

В современной оптоэлектронике используют в основном люминесценцию твердых тел (холодное свечение). При люминесценции энергия, необходимая для излучения, может подводиться к телу любым нетепловым способом (облучением фотонами или электронами, действием электрического поля и т. д.). Соответственно различают фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию и другие виды люминесценции. Обычно люминесценция наблюдается при комнатной и более низкой температуре, при которой тепловое излучение очень мало и все видимое излучение является люминесценцией. В общем случае при данной температуре излучение может складываться из теплового и люминесцентного, поэтому, по определению С. И. Вавилова, люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и продолжающееся после прекращения возбуждения в течение времени, превышающего период световой волны (t_с ≈ 1 • 14^-14 с). Обычно эта задержка реакции люминесцирующего вещества (люминофора) на выключение возбуждения значительно больше t_с и является характерной для люминесценции, отражая процессы преобразования энергии в люминофоре.

На рис. 1.1 приводилась схема электронных переходов, происходящих при поглощении энергии полупроводником. Практически все обратные переходы, при которых энергия электронов уменьшается, могут сопровождаться излучением в той или иной спектральной области. Используя полупроводники с различной шириной запрещенной зоны и различные примеси, можно получить излучение во всем видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (рис. 1.12, б).

Междузонные переходы 1 (рис. 1.13) наиболее вероятны в материалах с прямыми зонами. Излучению в видимом участке спектра (0,38—0,78 нм) соответствует ширина запрещенной зоны в пределах 1,6—3,0 эВ. Излучательные переходы с участием примесных уровней (2, 3, 4) возможны в материалах с прямыми и непрямыми зонами. Примеси, дефекты или их комплексы, которые образуют подобные Уровни, называют центрами свечения. На рис. 3.12 соответствующие примеси указаны после формулы основного вещества.

Переход 2 на рис. 1.13 соответствует рекомбинации электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне через промежуточный акцепторный уровень, переход 3 — через донорный (D) и акцепторный (А) уровни, образованны близко расположенными примесями двух типов. Во всех этих случаях в процессе поглощения и излучения энергии участвуют зоны проводимости и валентная, соответствующую люминесценцию называют рекомбинационной. Переход электрона 4 с возбужденного на основной уровень происходит в пределах примесного центра, и соответствующую люминесценцию называют внутрицентровой. Эти два вида люминесценции твердых тел обладают в значительной степени разными характеристиками.

При низких температурах и высоких уровнях возбуждения может проявиться люминесценция, связанная с рекомбинацией через экситонные состояния (переход 5). Энергия испускаемых при этом фотонов близка к ΔЕ.

Кроме примесей, которые создают центры люминесценции (их часто называют активаторами), существуют при меси, которые образуют центры тушения, т. е. рекомбинация через эти центры не сопровождается излучением. В ZnS подобными тушителями являются, например, Fe, Со, Ni. Безызлучательные переходы через уровни центров тушения показаны на рис. 1.13 штриховыми линиями (переход 7).

Вероятность переходов без излучения увеличивается с ростом температуры, и доля излучательных переходов (Р) обычна хорошо следует формуле

(1.13)

в которой L(Т) — яркость излучения при температуре T, а L(0) — при T=О К; с₂— постоянная при данной интенсивности возбуждения величина; E_T — энергия активации тушения. В случае рекомбинационной люминесценции (например, типа 1 на рис. 1.13) E_T имеет смысл энергии, необходимой для заброса валентного электрона на уровень центра рекомбинации. В этой случае число излучательных переходов типа 2 уменьшается а число рекомбинаций без излучения увеличивается.

Другой возможностью превращения энергий возбуждения не в энергию излучения, а в тепловую энергию, является так называемые Оже-процессы, когда энергия, выделенная при переходе электрона на более низкий уровень (переход 8 на рис. 1.13), передается другому электрону в зоне проводимости который поднимается на более высокий уровень в этой зоне (переход 9). Далее этот электрон опускается на дно зоны проводимости, разменивая свою энергию преимущественно на фононы (при определенных условиях может наблюдаться и слабое излучение, соответствующее внутризонным переходам 6). Вероятность Оже-процессов растет с увеличением концентраций свободных носителей заряда.

Соотношение между числом излучательных и безызлучательных переходов отражается значением внутреннего квантового выхода люминесценции η_к, который является важной характеристикой процесса преобразования подведенной энергии в излучение. В случае электролюминесценции η_к равен числу созданных фотонов, приходящихся на каждый электрон, прошедший через кристалл. Для некоторых видов электролюминесцентных излучателей внутренний выход η_к может приближаться к единице, особенно при низких температурах.

Так как не все фотоны выходят из устройства, излучатель часто характеризуют внешним квантовым выходом η_ке = η_к К₀, где множитель К₀учитывает потери, связанные с отражением и поглощением света. В случае рекомбинационной люминесценции обычно только доля у рекомбинаций происходит в люминесцирующей части образца, а в этой области только доля Р рекомбинаций сопровождается излучением (формула (1.13)), поэтому η_ке = NγРК₀, где N — число неосновных носителей заряда, появляющихся в результате прохождения через образец одного электрона, т. е. общее число возможных рекомбинаций. Выход η_ке уменьшается с ростом температуры (рис. 1.14).

Внешний энергетический выход электролюминесценции (к. п. д.) равен , где hν — энергия фотона; qU— энергия электрона, прошедшего разность потенциалов U, которая приложена к образцу (q- заряд электрона). В общем случае при измерении энергетического выхода надо учитывать ширину полосы люминесценции в спектре и определять его с помощью выражения

(1.14)

Здесь Ф— поток излучения; W — потребляемая мощность; φ(λ) - спектральная плотность потока излучения; λ — длина волны. Интегрирование ведется в пределах спектрального диапазона излучения.

Если излучение регистрируется глазом, то следует учитывать спектральную чувствительность глаза и пользоваться светотехническими единицами. Световая отдача прибора oпpeделяется как

, (1.15)

где Ф_L — световой поток в люменах; f(λ) — функция видности, изменяющейся от 0 на краях видимого участка спектра (λ₁= 0,38 мкм и λ₂ = 0,78 мкм) до 1 при λ = 555нм.

Если излучение воспринимается полупроводниковым фотоприемником, то его спектральная чувствительность должна быть согласована со спектром излучения источника света. Удобным приемником является кремниевый фотодиод, обладающий широкой спектральной чувствительностью (см. рис. 1.12, б).

Излучение различных центров люминесценции может происходить самопроизвольно и независимо от других центров. В этом случае частота, поляризация и направление распространения света могут быть различными (некогерентное излучение). В других случаях может осуществляться вынужденное излучение, когда излучение одного центра стимулирует излучение другого с той же частотой и поляризацией (когерентное излучение). В оптоэлектронике используют как источники некогерентного излучения (светодиоды, источники на основе порошкообразных и пленочных люминофоров), так и когерентного (лазеры).

1.2.2. Инжекционные светодиоды с р-n-переходами

Светоизлучающий полупроводниковый диод (или кратко — светодиод) является одним из основных источников излучения в оптоэлектронике. Он представляет собой включенный в прямом направлении р-п- переход (рис. 1.15), в котором происходит рекомбинация электронов и дырок как в области объемного заряда шириной d, так и по обе стороны от этой области на расстоянии диффузионных длин электронов в р-области (l₁) и дырок в п-области (l₂). Внешнее напряжение понижает потенциальный барьер на границе р- и n-областей и создает условия для инжекции (введения) электронов в p-область и дырок в п-область.

По мере повышения прямого напряжения U ток через переход экспоненциально возрастает и при qU>>kT определяется выражением , которое следует из общего выражения для вольт-амперной характеристики р-п-перехода.

Общее число рекомбинаций за секунду определяется силой тока, часть этих рекомбинаций происходит с излучением, и поток излучения Ф, выраженный в числах фотонов, излученных за 1 с, составляет

(1.16)

Обычно излучающей является одна из сторон р-п-перехода (например, р-областъ), поэтому желательно, чтобы доля электронного тока, попадающего в эту область (коэффициент инжекции γ), была максимальной. При инжекционной электролюминесценции N=1, но величина γ, а следовательно, и η_к = γР могут зависеть от тока (рис. 1.15,б). При низких U и I преобладает рекомбинация в области пространственного заряда, где вероятность излучательных переходов в нужной спектральной области обычно мала, поэтому по мере повышения напряжения и тока γ и η_к сначала возрастают, а затем становятся примерно постоянными. При очень больших U и I возможно уменьшение η_к из-за увеличения числа безызлучательных Оже-рекомбинаций, а иногда и в результате повышения температуры образца.

Существование зависимости η_к (I) приводит к тому, что зависимость Ф(I) является линейной только в области средних токов, когда η_к ≈const. В области низких токов Ф и яркость L растут с повышением I сверхлинейно (рис. 1.15, в), а в области больших I—сублинейно.

Внешний квантовый выход светодиода η_ке = η_кK₀ всегда ниже внутреннего, что обусловлено прежде всего потерями света при выходе из диода. Из-за полного внутреннего отражения при углах падения, больших θ₀, через поверхность полупроводника выйдет только свет в пределах конуса с полууглом θ₀ у вершины (рис. 1.16, а). Этот угол определяется условием (п₀—показатель преломления материала и, например, для GaP составляет 17,7°. При таком θ₀ через границу полупроводник — воздух может пройти только ~2% света, излучаемого р-п-переходом равномерно во все стороны. Улучшить условия выхода света из полупроводника можно придавая ему сферическую форму или добавляя прозрачную пластмассовую линзу сферической формы (рис.1.16,б). Если потери при переходе в линзу устранены, а свет, излучаемый в нижнюю полусферу, поглощается в неизлучающем материале (контактный слой), то максимальное значение К₀≈0,5.

Рассмотрим в качестве примера факторы, которые влияют на величину η_ке у светодиодов GaP:Zn, О с красным свечением. Основное излучение этих диодов (hv=l,8 эВ) появляется вследствие рекомбинации экситонов, связанных на комплексах Zn — О (после захвата электрона этот комплекс приобретает заряд и притягивает дырку, образуя экситон). Излучающей является р-область, и наибольшее достигнутое значение коэффициента инжекции в эту область γ = 0,8. Рекомбинацией в области пространственного заряда можно пренебречь, так как ее толщина составляет примерно 1·10^-5см, а диффузионная длина электронов l₁≈10^-4см. Измерения фотолюминесценции р-области дают значение Р=0,3 при 300 К (т. е. 2/3 рекомбинаций происходят без излучения). Следовательно, при К₀ = 0,5 внешний квантовый выход η_ке = 0,8·0,3·0,5 = 12%.

Диоды из GaP с примесью азота дают зеленое свечение и обладают меньшим η_ке. Промышленные светодиоды из GaP с красным или зеленым свечением обладают яркостью 50—100кд/м² и работают при прямом напряжении 3 - 5 В. Цифровые индикаторы на основе этих светодиодов применяют, в частности, в компактных калькуляторах.

Наиболее высокий выход наблюдается у диодов из арсенида галлия, излучающих инфракрасный свет. В зависимости от конструкции диодов внешний выход при комнатной температуре составляет 8—20%, а при низкой температуре выход достигает 40% (см. рис. 1.14). Это говорит о том, что внутренний квантовый выход инжекционной электролюминесценции в этом веществе может быть близок к 100%.

Внешний квантовый выход промышленных диодов GaAs:Si (hv = 0,94 мкм) при комнатной температуре равен примерна 8%. Если активная область сделана сферической, то выход повышается до 20—30%. Соответствующий внешний энергетический выход η_е≈15%. Инерционность светодиодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей в толще полупроводника и составляет 10^-7 —10^-6 с.

Диоды из GaAs являются миниатюрными приборами размером в несколько миллиметров и массой ~0,5 г. Мощность излучения при токе 100 мА составляет примерно 0,5 мВт, рабочее напряжение ~ 1,7 В.

До сих пор речь шла о гомопереходах, т. е. р-п-переходах, созданных в одном и том же веществе. Особыми свойствами обладают гетеропереходы, полученные между р- и п-областями материалов с различной шириной запрещенной зоны. Выбор таких материалов ограничивается необходимостью точного согласования постоянных решеток обеих компонент (в противном случае на границе образуется большое число дефектов и соответствующие им локальные уровни ухудшают характеристики перехода). Примером материалов с хорошо согласующимися решетками являются GaAs и AlAs, которые образуют непрерывный ряд твердых растворов Ga_1-хAl_хAs. Меняя х, можно изменять ширину запрещенной зоны этого тройного соединения, например при х = 0,3 ΔЕ=1,8 эВ (у GaAs ΔЕ =1,4 эВ). Вводя необходимые примеси в оба вещества, можно создавать р-п-переходы с различными свойствами.

На рис. 1.17 приведена одна из возможных энергетических схем гетероперехода. При включении его в прямом направлении происходит практически только инжекция электронов в р-область, так как для дырок потенциальный барьер оказывается слишком высоким. В результате из широкозонного материала можно получить одностороннюю инжекцию электронов (γ=1) в узкозонный люминесцирующий материал и повысить таким образом квантовый выход светодиода.

Другим преимуществом гетероперехода является возможность вывода излучения без потерь на поглощение через широкозонный материал. В частности, излучение GaAs при Т=297 К имеет максимум при 1,38 эВ, т. е. оно сильно поглощается самим GaAs, но слабо — более широкозонным материалом Ga_1-хAl_хAs.

Гетеропереходы используют также для получения когерентного излучения.

1.2.3. Светодиоды с антистоксовыми люминофорами

Так как квантовый выход диодов GaAs: Si, излучающих инфракрасный свет, значительно выше выхода диодов, излучающих в видимой области, существует возможность использования инфракрасных диодов для получения видимого излучения с помощью так называемых антистоксовых люминофоров.

По правилу Стокса, частота фотолюминесценции обычна меньше частоты возбуждающего излучения. В некоторым случаях, однако, наблюдается обратное соотношение между этими частотами, что и происходит у антистоксовых люминофоров. Были получены антистоксовые люминофоры с максимумом возбуждения около hv=l,3 эВ, т. е. в области излучения диодов GaAs:Si. Если на поверхность GaAs-диодов нанести слой порошкообразного антистоксового люминофора, то под действием ИК-излучения диода он будет излучать в видимой области благодаря последовательному поглощению и суммированию энергии двух квантов ИК-излучения. Эффективности преобразования ИК-излучения в видимое возрастает при увеличении уровня возбуждения люминофора (тока через диод).

В качестве антистоксовых люминофоров используют фториды, оксисульфиды лантана и другие соединения, активированные иттербием и эрбием, например люминофор La₂O₃S:Yb, Еr, с помощью которого может быть получено зеленое свечения яркостью до 400 кд/м² при плотности тока через диод 5 А/см². Общий квантовый выход такого двойного преобразования электрической энергии в световую не превышает 1%, но примерно такой же квантовый выход имеют и светодиоды из GaP с зеленым излучением. Таким образом, применение диодов с антистоксовым преобразованием энергии может быть оправданным, особенно в случае необходимости получить повышенные яркости зеленого излучения. Быстродействие диодов с антистоксовыми люминофорами определяется процессами в люминофорах и может быть ниже, чем у обычных светодиодов.

1.2.4. Источники света с порошкообразными и пленочными электролюминофорами

Светодиоды являются почти точечными источниками света (площадь излучающей поверхности не превышает 1 мм²). Электролюминесцентные источники света большой площади могут быть получены с помощью слоев порошкообразных люминофоров толщиной около 50 мкм или пленок толщиной около 1 мкм. В качестве люминесцирующего вещества обычно используют сульфид цинка (ширина запрещенной зоны 3,7 эВ), позволяющий получить люминесценцию в видимой области при введении ряда примесей, например меди (зеленое излучение), серебра (синее) и марганца (желто-оранжевое). Применяется также смешанное основание ZnS—ZnSe. В подобных материалах не удается получить р-п-переходы с инжекционной люминесценцией, поэтому возбуждение свечения производят сильным полем в поверхностных барьерах, включенных в запирающем направлении, или в микроскопических барьерах на границе ZnS с вкраплениями сульфида меди, которые присутствуют в зернах люминофоров с большим содержанием меди. Для того чтобы дырки, образующиеся при ударной ионизации атомов кристаллической решетки, не выходили в металлический электрод и не пропадали с точки зрения получения видимого света, зерна порошка (размером ~10 мкм) распределяют в слое твердого диэлектрика, а пленку люминофора изолируют от обоих электродов тонкими слоями диэлектрика. На рис. 1.18, а показана схема устройства как порошкового, так и пленочного вариантов источника света. На этом рисунке обозначено: 1—стекло, 2 — прозрачный проводящий слой (SnO₂), 3 — слой порошкообразного люминофора в диэлектрике (смола, легкоплавкое стекло), 4 — отражающий слой, 5 — металлический электрод (слой А1), 6, 8 — пленки диэлектрика (например, Y₂O₃) толщиной около 0,4 мкм, 7—пленка ZnS:Mn.

Подобные устройства являются электрическими конденсаторами и их возбуждение ведется синусоидальным или импульсным напряжением (Г. Дестрио, 1936).

Процессы в одиночном зерне люминофора или пленки мог быть пояснены с помощью рис. 1.18,б, на котором изображена структура из двух диэлектриков и люминофора между ни в присутствии напряжения. Электроны, освобождающиеся поверхностных уровней на левой границе пленки, ускоряют сильным полем и совершают ионизации центров свечения (переход 4), атомов основного вещества (переход 5) или вызывают внутрицентровый переход 7. Созданные полем дырки отводятся к левой границе пленки, а электроны — к правой границе. После изменения направления поля дырки могут вернуться в объем зерна и захватиться центрами люминесценции, а возвращающиеся электроны — рекомбинировать на этих центрах с излучением. В этот (второй) полупериод произойдет ионизация у правой стороны зерна. Когда поле вновь примет такое направление, как изображено на рис. 1.18,б, ионизация опять происходит на левой стороне зерна, а возникающие электроны рекомбинируют на правой стороне (переход 6).

Таким образом, схема зон на рис. 1.18, б «качается» с частотой f переменного напряжения, ионизация попеременно проиcходит на левом и правом краях зерна или пленки, возникает поток света, пульсирующий с частотой 2f. Если примеси, создающие центры рекомбинации, отсутствуют, а пленка Zn содержит только примесь, в которой происходят внутрицентровые переходы (7), то под действием поля происходит возбуждение примесных атомов и одновременно возникают обратные переходы с излучением (8), не зависящие от U. Именно такой тип излучения используют в тонкопленочных излучателях на основе ZnS:Mn. Концентрация марганца в ZnS может быт сделана настолько высокой (~1%), что вероятность столкновений электронов с атомами Мn оказывается достаточно большой. Если толщина пленки мала (меньше 1 мкм), то поле в ней почти однородно, оно имеет при внешнем напряжении U= 100 В напряженность порядка 1 • 10⁶ В/см, это приводит к интенсивному возбуждению атомов Мn и решетки. Пробой структур предупреждается слоями диэлектриков. Яркость подобных тонкопленочных излучателей достигает 10³ кд/м² при U=200 В и f= 1 кГц, что достаточно для их использования в различны устройствах отображения информации.

Внешний квантовый выход пленочных излучателей η_кe = N₁PK₀ оказывается невысоким из-за больших потерь на отражение при выходе света из пленки (К₀≈0,2). При квантово выходе возбуждения N₁=0,5 (число возбужденных центров на каждый электрон, прошедший пленку), Р= 0,5; η_кe = 5%. Срок службы излучателей достигает 2·10⁴ч.

Яркость порошковых источников света (их часто называют электролюминесцентными панелями) равна примерно 50 кд/м² при U=150 В, f = 1 кГц и комнатной температуре. Выход η_кe≈ 10%, срок службы (время, в течение которого яркость падает до половинного значения) t_0,5≈ 2•10³ ч. Меньший срок службы по сравнению с пленочными структурами на основе ZnS - Мn связан с присутствием меди, ионы которой диффундируют в электрическом поле и изменяют свойства барьеров, в которых возбуждается электролюминесценция. Вследствие этого t_0,5 уменьшается с ростом U и особенно сильно с ростом температуры. Длительность затухания свечения после выключения U меньше 1 • 10^-3 с (оно связано с временем формирования области пространственного заряда и вероятностью внутрицентровых переходов). Яркость порошковых и пленочных образцов растет с повышением частоты и амплитуды напряжения и приближенно может быть представлена выражением

. (1.17)

Значение п у порошковых излучателей равно 3 — 4, а у пленочных 10—15; L₁(f) обычно растет с увеличением f примерно линейно, а при частотах в несколько килогерц выходит на насыщение. Эта зависимость связана как с зависимостью вероятности излучательных рекомбинаций Р от f, так и с тем, что за время импульсов различной длительности происходит одно и то же число ионизации (оно ограничивается числом ускоряемых электронов и полем поляризации), и рост числа импульсов в секунду означает и рост средней яркости.

При повышении температуры уменьшается скорость генерации неравновесных носителей, Р и L. Температурный интервал работы излучателей примерно следующий: от - 50° С до +50° С.

Электролюминесцентные панели используют в устройствах отображения информации различного типа.

1.2.5. Полупроводниковые инжекционные лазеры

Специально изготовленные светодиоды могут излучать когерентный свет. Для этого необходимо создать в активном (излучающем) слое структуры инверсную заселенность энергетических уровней, т. е. осуществить очень сильное заполнение электронами возбужденных уровней. В этом случае излучение, возникшее при первых рекомбинациях электронов и дырок, вызывает вынужденные переходы других электронов на нижние энергетические уровни, причем возникающее излучение имеет строго ту же частоту и плоскость поляризации, что и первоначальное. Если свет имеет возможность многократно пройти область инверсной заселенности, то возникает интенсивное вынужденное излучение. С этой целью применяют отражающие поверхности на противоположных гранях образца, в пространстве между которыми образуются стоячие световые волны. Зеркалами могут служить граня кристалла, полученные, например, при скалывании краев образца.

Для изготовления лазеров используют полупроводники с прямыми зонами, например GaAs или GaAlAs, в которые возможны межзонные переходы электронов без участия фононов. Создание инверсной заселенности уровней происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче достигается в гетеропереходах (см. рис. 1.17), изготовленных на основе материалов с высокой концентрацией примесей. Усиление света происходит только вдоль направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области р-п-перехода через полупрозрачную отражающую поверхности выходит узкий луч определенного направления.

На рис. 1.19,а приведена энергетическая схема лазера в присутствии внешнего напряжения U. Через р-п-переход инжектируются электроны из п-области I в активную область II (толщиной ~ 1 мкм), где происходит излучение фотонов с энергией hv≈1,4 эВ. Переход типа р—р⁺между p-областью II и р⁺-областью III создает барьер для электронов, попавшим в активную область II, и способствует накоплению электронов в этой области. Лазерный эффект достигается при определенным пороговых значениях тока через переход (примерно 1 кА/см² при 300 К). Начиная с этих значений тока спектральная полоса излучения значительно сужается. Для уменьшения рабочий токов и ослабления нагрева активный слой часто сокращают до полоски шириной 5—20 мкм, идущей от одной отражающей поверхности до другой. Этого достигают применением узкого металлического электрода (верхнего на рис. 1.19, б). У подобных устройств снижается как пороговый ток (примерно до 100 мА при комнатной температуре), так и инерционности вследствие уменьшения емкости переходов.

В качестве материала, инжектирующего электроны, может быть использован более широкозонный Al_xGa_1-xAs (рис. 1.19, б). В этом случае активный слой GaAs p-типа располагается между двумя широкозонными полупроводниками, которые обладают более низким коэффициентом преломления. Это приводит к усилению отражения света от боковых слоев и, следовательно, к уменьшению потерь света.

Мощность излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет около 0,1 Вт. В случае импульсного возбуждения мощность может быть значительно повышена, так как нагрев прибора будет ослаблен. К. п. д. инжекционных лазеров достигает 50%, инерционность составляет около 1·10^-9 с, напряжение питания не превышает 3 В, а размеры — нескольких миллиметров. Модуляция светового потока может осуществляться изменением напряжения.

1.2.6. Другие твердотельные лазеры

Существует ряд кристаллических и аморфных диэлектриков, которые могут быть использованы для получения вынужденного излучения. В отличие от полупроводниковых лазеров в этих устройствах используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение происходит обычно не электрическим, а оптическим способом.

Типичным является лазер на рубине (Т. Мейман, 1960), т. е. кристалле А1₂О₃ с примесью хрома, который в виде ионов Сг³⁺ замещает небольшую часть (0,05%) атомов А1. Уровни хрома располагаются в пределах широкой (~ 6 эВ) запрещенной зоны А1₂О₃, и процессы поглощения энергии и излучения могут происходить внутри этих центров свечения (рис. 1.20). Свет от мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня Е₁на возбужденные уровни Е₃ и Е₄, образующие две широкие полосы. Примерно через 1·10^-8с электроны падают на метастабильные уровни Е₂, на которых они могут находиться около 1·10^-3с. Разница энергий Е₃ — Е₂превращается в теплоту. На уровнях Е₂происходит накопление электронов, создается инверсная заселенность этих уровней по отношению к уровням Е₁ и свет с частотой v, удовлетворяющий условию hv = E₂ — E₁, может вызвать вынужденные переходы электронов с уровней Е₂на уровни Е₁. Соответствующее излучение имеет длину волны 0,69 мкм (красный свет).

Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см, торцы которого отшлифованы и служат зеркалами. Усиление и излучение света происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств более употребительным является лазер на кристаллах иттриево-алюминиевого граната с примесью неодима Y₃Al₅O₁₂:Nd^{3 +} . Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия и может излучать на длине волны 1,06 мкм (инфракрасный свет). Для возбуждения могут использоваться как газоразрядные источники света, так и светодиоды типа GaAlAs с излучением на λ = 0,81 мкм, соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря повышенной концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт), что позволяет снижать размеры устройства (до ~ 1 см). К. п. д. таких лазеров равен примерно 1%, хотя у лазеров на основе редкоземельных скандиевых гранатов он может быть в 4—5 раз выше.

Твердотельные лазеры уступают инжекционным полупроводниковым лазерам по эффективности, они имеют большие размеры и требуют высоких напряжений (~10³В) при использовании газоразрядных источников возбуждающего света. Для управления интенсивностью светового пучка необходимы дополнительные устройства.

Газовые лазеры (в частности, гелий — неоновые) еще менее удобны для использования в оптоэлектронике, так как они обладают сравнительно большими размерами (около 15 см), требуют высоковольтного питания (до 1 • 10⁴ В), имеют низкий к. п. д. (0,1%) и малую мощность световых потоков (~10^-3 Вт). В то же время газовые лазеры создают излучение с наименьшей шириной спектральных линий и расходимостью световых пучков.