YARIMO`TKAZGICHLI LAZERLAR XARAKTERISTIKALARINI
O’RGANISH.
Yarimo`tkazgichli lazer, qattiq jismli lazerlarning o`ziga xos turiga kiradi. Bu
turdagi lazerlarda invers bandlik hosil qilishini va kogerent nurlanish olishni
energetik sathlar hamda energetik sohalar asosida tushuntirish mumkin. Kvant
fizikasi asoslariga ko`ra, qattiq jism tashkil etgan atomlaridagi elektronlar ulardagi
yadrolar bilan elektr kuchlari orqali bog’langan bo`lib, bog’lanish energiyasi diskret
qiymatlarni qabul qiladi. Yadroga eng yaqin turgan elektron eng kichik diskret
energiyaga ega bo`lib, uni eng qiyin energetik sathda joylashgan deb qarash
mumkin. Bu yadrodan uzoqlashgan elektronning energiyasi yadroga eng yaqin
turgan (ya’ni eng quyi energetik sathda joylashgan) elektronning energiyasidan katta
bo`lib, u biror yuqori energetik sathda joylashgan deb qabul qilish mumkin.
Elektronlar joylashgan sathlar juda ko`p bo`ladi va qattiq jismning sohalar
nazariyasiga asosan energetik sathlar to`plami energetik sohalarni tashkil qiladi.
Atomdagi har bir elektronning holati to`rrta kvant soni bilan xarakterlanadi.
Bosh kvant soni n (n=1,2,3,4,…)
Azimutal kvant soni l (l=0,1,2,3,4,…)
Magnit kvant soni m (m=-l(-l+1),….0,1,2,….,+l)
Spin kvant soni m (m=1/2, m=-1/2)
Qattiq jism atomning elektron qobig’dagi elektronlar yadro bilan bog’liqligi
uchun ularni valent elektronlar deyiladi va ular joylashgan energetik sathlar
to`plamiga o`tkazuvchanlik sohasi deb qaraladi. Valent sohaning eng yuqorisida
joylashgan elektronlarning yadro bilan bog’lanish energiyasiga teng energetik
oraliqni taqiqlagan soha deb qarash qabul qilingan. Bu soha valent soha bilan
o`tkazuvchanlik sohalari oralig’ida joylashgan va taqiqlangan sohaning energetik
bo`yicha kengligi o`tkazuvchanlik sohasining quyi chegarasi energiyasidan valent
sohasining eng yuqori chegarasi energiyasi ayrimasiga teng.
Elektronlar energetik sathlarning va sohalarning sxematik diametri 1-rasmda
keltirilgan.
1-rasm. Metallardagi elektronlar energiya sathlari keltirilgan (a) metallardagi va
(b) dielektrikdagi diagrammalari.
Yarimo`tkazgich moddalarida energetik sohalar diagrammasi 1-rasmda
ko`rsatilganidek bo`ladi. Faqat taqiqlangan sohani kengligi dielektriklarnikiga
nisbatan kamroq bo`lib, qiymati bir elektron volt atrofida bo`ladi. Yarimo`tkazgichli
kristallar asosida tuzilgan qattiq jismli lazerlar yarimo`tkazgichli lazerlar deyiladi.
Bu lazerlarda ruhsat etilgan energetik sohalardagi nurlanishli kvant o`tishlardan
foydalaniladi. Yarimo`tkazgichli
faol
muhitda katta optik kuchaytirish
ko`rsatkichiga (
10
4
𝑠𝑚
−1
) erishish mumkin. Bu lazerlarda rezonator uzunligi 50
mkm-1mm oralig’ida bo`ladi.
Yarimo`tkazgichli lazerlar (YAL) nihoyatda kichikligi bilan birga inertsizligi (
10
−9
𝑠 ), FIK yuqoriligi (30 %), spektral tarkibini sozlab o`zgartirish
mumkinligi, faol muhit sifatida ishlatiluvchi moddalar ko`pligi, nurlanish to`lqin
uzunligi l=0.3-30 mkm bo`lishi bilan birga boshqa lazerlardan ajralib turadilar.
Yarimo`tkazgichli lazerlarda faol zarrachalar erkin elektronlar va kovaklar bo`lib,
ular faol muhitda injeksiyalanishi, diffuziyalanishi va dreyflanishi mumkin bo`lgan
erkin zaryad tashuvchilar hisoblanadilar. Yarimo`tkazgichli lazerlarda asosiy
damlash usuli n-p o`tish yoki geteroo`tish orqali injeksiya bo`lib, elektr energiyasini
to`g’ridan-to`g’ri aniq kogerent nurlanish energiyasiga aylantiradi. Bu injeksion
lazer deyiladi.
Damlashning elektr teshib o`tish usuli (strimer lazer), elektron bilan
bombardimon qilish usuli (elektron damlashli YAL), optik damlash usullari mavjud.
N.G. Basov va uning xodimlari xavola etilgan optik damlashli yarimo`tkazgichli
lazerlar n - p o`tishda GaAs kristallida birinchi marta R.
Xoll, M.I. Neyten (AQSH) tomonidan, elektron damlashli yarimo`tkazgichli lazerlar
esa Basov va uning xodimlari tomonidan yaratildi.
Yarim o`tkazgichlardagi nomuvozanat holatlar. Sohalar orasidagi o`tishlarda
nurlanish rekombinatsiyasi. Ideal yarim o`tkazgichda absolyot nol temperaturadan
yuqori
temperaturada
tokni
(yoki
o`tkazuvchanlikni)
hosil
bo`lishida
o`tkazuvchanlik sohasida elektronlarni hosil bo`lishida issiqlik harakati asosiy rol
o`ynaydi yoki musbat absolyut temperaturada sohalar orasida issiqlik muvozanati
hosil bo`lishi hisobiga o`tkazuvchanlik sohasida elektronlar hosil bo`ladi. Issiqlik
muvozanati holatida bo`lgan yarim o`tkazgichlar lazer uchun yaroqsiz hisoblanadi.
Lazerlarda qo’llanilishi uchun yarim o`tkazgichdagi zaryad tashuvchilar
nomuvozanat holatida bo`lishi kerak. Yarim o`tkazgichlarni bu holatga har xil
yo`llar bilan o`tkazish mumkin. Lazerlarda foydalaniladigan yarim o`tkazgichlarda
bu maqsadda uch xil usuldan foydalaniladi:
1) yarim o`tkazgichlar katta chastotadagi tashqi nurlanish bilan yoritiladi
(optik uyg’otish usuli) optik damlash yordamida ya’ni quvvatli kogerent yoki
nokogerent nurlada yarim o`tkazgichli atomlarni yorug’lik kvantlari bilan; (2-a,
rasm)
2- rasm. a) optik damlash usuli
2) yarim o`tkazgichlar elektron oqimi bilan nurlantiriladi; elektronlarni
qo`zg’otish usuli bilan, ya’ni tezkor elektron oqimi bilan yarimo`tkazgichni
bambardimon qilish; (2 - rasm. b)
2 - rasm. b) Elektronlar oqimi bilan damlash usuli
3) tashqi elektr maydonidan foydalaniladi: p-n o`tishda to`g’ri kuchlanish
berilganda zaryad tushuvchilarining injeksiyasi yordamida buni injeksiyasi kuzatish
mumkin;
2-rasm. c) tashqi elektr maydonidan foydalanib damlash usuli
Keyingi holatda p – n o`tishlardan foydalanish eng samarali hisoblanadi.
Zaryad
tashuvchilarning
konsentratsiyasi
nomuvozanat
bo`lgan
yarim
o`tkazgichlarda nurlanish rekombinatsiyasini qarab chiqamiz. Rekombinatsiya
jarayoni erkin zaryad tashuvchilar jufti elektron va teshiklarning yo`qolishiga olib
keladigan jarayon hisoblanadi. Umuman olganda, rekombinatsiya tufayli ajralib
chiqqan energiya uch xil jarayon ko`rinishida amalga oshadi: foton hosil bo`lishi
(nurlanish rekombinatsiyasi), panjaraning qizishi (fononlar hosil bo`lishi), zaryad
tashuvchilarning kinetik energiyasini oshishi (Oje rekombinatsiyasi). Lazer
nurlanishi shu jarayonlarning birinchisi bilan ya’ni nurlanish rekombinatsiyasi bilan
bog’lik.
3-rasm. Soha-soha o`tishlarida yarim o`tkazgichlarda manfiy temperatura bo`lish
shartiga tegishi sxema. a – o`tkazuvchanlik sohasi, b –valent sohasi
Yuqorida keltirilgan shaklga binoan yarim o`tkazgichlarda nurlanish
rekombinatsiyasi sohalar orasidagi o`tishlarda (1 strelka) va sohalardan kirishma
sathiga o`tganda (strelka 2) hosil bo`lishi mumkin. Shkala akseptor sathi orqali
rekombinatsiya ko`rsatilgan. Bu jarayonda elektron akseptor sathiga nurlanish bilan
o`tadi va keyin valent sohasidagi teshik bilan rekombinatsiyalanadi. Bundan
tashqari rekombinatsiya donor sathi orqali ham bo`lishi mumkin. Bunda
o`tkazuvchanlik sohasidagi elektron donor sathiga o`tadi va undan nurlanish orqali
valent sohasiga o`tadi. Nihoyat nurlanish rekombinatsiyasi ikkala kirishma sathi
orqali ham amalga oshishi mumkin (strelka 2). Jadal damlash ta’sirida
yarimo`tkazgichlarda optik kuchaytirish invers bandlik shartini o`tkazuvchanlik
sohasining tubidagi E va valent sohaning yuqori chegarasida E bajarilganda amalga
oshiriladi. Ruhsat etilgan (o`tkazuvchanlik) sohasining yuqori energetik ishchi
sathlarini elektron bilan to`ldirish, valent sohaning quyi sathlarini to`ldirish
ehtimolligidan kattadir. Shu sababli majburiy nurlanishli o`tish yutilish o`tishlaridan
ustunroq bo`ladi. Optik kuchaytirish kattaligi damlash intensivligiga hamda
nurlanish rekombinatsiyasi ehtimolligiga va temperaturaga bog’liq bo`ladi.
Yarimo`tkazgichli lazerlarda lazer materiali faol muhit sifatida to`g’ri sohali
yarimo`tkazgichlar qo`llaniladi (masalan: GaAs, CdS , PbS). Ularda nurlanishning
kvant chiqishi 100 % ga yetishi mumkin. To`g’ri bo`lmagan sohali
yarimo`tkazgichlarda Si Ge , xozircha yarimo`tkazgichli lazerlar bunyod etishga
erishilganicha yo`q. Lekin biz dissertatsiyamizda sof yarimo`tkazgichlarda lazer
nurini hosil qilishni umumiy holatlarini ko`rib chiqamiz.
| 