Из статьи Н. Г. Басова "Полупроводниковые квантовые генераторы"

Настоящая лекция посвящена наиболее молодой ветви квантовой электроники - полупроводниковым квантовым генераторам...

Условия получения отрицательной температуры в полупроводниках

Работы по полупроводниковым квантовым генераторам были непосредственным продолжением исследований по молекулярным генераторам и парамагнитным усилителям. В отличие от изолированного атома в полупроводниках существуют не отдельные уровни, а группы непрерывно расположенных энергетических уровней - зоны Верхняя группа - зона проводимости и более низкая группа занятых уровней - валентная зона разделены полосой запрещенных энергий (рис. 1) ...
Если kT значительно меньше разности энергии между зоной проводимости и валентной зоной, то практически все электроны находятся в валентной зоне, заполняя ее уровни, а все уровни зоны проводимости свободны (рис. 2, а) В таком состоянии полупроводник не может проводить электрический ток и становится изолятором, так как электрическое поле, приложенное к нему, не в состоянии изменить движение электронов валентной зоны (все уровни энергии заняты)

Если энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны через запрещенную зону, то часть из них переходит в зону проводимости. Такая система может проводить электрический ток. Он может течь как за счет изменения энергии электронов в зоне проводимости под действием внешнего поля, так и за счет изменения энергии электронов в валентной зоне. Картина тока в этой последней оказывается такой, как если бы свободные от электронов места (дырки) передвигались в противоположном направлении. Вакантное место - дырка полностью эквивалентно положительно заряженной частице (рис. 2, б).
При взаимодействии со светом в полупроводнике так же, как и в изолированном атоме, могут происходить три процесса.
1. Квант света может быть поглощен полупроводником, при этом образуется пара - электрон и дырка, причем разность энергий между электроном и дыркой равна энергии кванта. Этот процесс связан с уменьшением энергии электромагнитного поля и носит название резонансного поглощения. (рис. 3, а).
2. Под действием кванта электрон может перейти из зоны проводимости в валентную зону на свободное место - дырку.
При этом будет излучен квант света, тождественный по частоте, направлению распространения и поляризации кванту, вызвавшему излучение. Этот процесс связан с увеличением энергии поля и носит название индуцированного излучения (рис. 3, б). Напомним, что индуцированное излучение было открыто А. Эйнштейном в 1917 г. при исследовании термодинамического равновесия между полем излучения и атомами.
3. Кроме резонансного поглощения и индуцированного испускания, может иметь место третий процесс - спонтанное излучение. Электрон переходит на вакантное место - дырку (рекомбинирует с дыркой) в отсутствие квантов излучения и испускает при этом квант света.
Так как вероятность индуцированного излучения и резонансного поглощения точно равны друг другу, полупроводник в равновесном состоянии при любой температуре может лишь поглощать кванты света ввиду того, что вероятность нахождения электронов на верхних уровнях уменьшается с ростом энергии этих уровней.
Для того чтобы заставить полупроводник усиливать электромагнитное излучение, нужно нарушить равновесное распределение электронов по уровням и искусственно создать такое распределение, когда на более высоких уровнях энергии вероятность нахождения электронов больше, чем на низких ...
Какие условия нужны для того, чтобы заставить полупроводник усиливать падающее излучение при межзонных переходах?
В случаях прямых переходов необходимо заполнить более половины уровней в полосе порядка kT вблизи края зон электронами и дырками. Такие состояния, как для атомов или молекул, получили название состояний с инверсной населенностью или с отрицательной температурой. Температура минус нуль градусов соответствует такому распределению электронов, когда все уровни в полосе kT зоны проводимости заняты электронами, а в валентной зоне дырками. В таком состоянии (в противоположность состоянию положительного нуля) полупроводник может только излучать (индуцированно и спонтанно) кванты света, но не может поглощать излучение.
Состояние полупроводника, когда большинство уровней в некоторой полосе энергии занято электронами или дырками, получило название вырожденного.
Итак, для создания отрицательной температуры необходимо иметь вырождение в полупроводнике по электронам и дыркам. При заданном количестве электронов и дырок всегда можно создать вырождение, уменьшая температуру полупроводника, так как при уменьшении температуры уменьшается ширина полосы энергии, занятая электронами. При температуре жидкого азота для вырождения нужно иметь концентрацию электронов 1017-1018 см-3...

Методы получения инверсной населенности уровней

Инжекция электронов и дырок через р-n-переход. Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, снимающее скачок потенциала между двумя частями полупроводника, то равновесное распределение электронов нарушится, и через полупроводник пойдет ток. При этом электроны как бы вливаются в область, где много дырок, а дырки - в область, где много электронов, и в узкой зоне вблизи р-n-перехода на расстоянии в несколько микрон возникает инверсная населенность. Получается слой полупроводника, способный усиливать электромагнитные колебания за счет вынужденного излучения квантов при переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону...
Полупроводниковые квантовые генераторы

Для осуществления генерации на основе систем с отрицательной температурой необходимо в них ввести обратную связь. Обратная связь осуществляется при помощи резонаторов. Простейшим типом резонаторов в оптическом диапазоне служит резонатор с плоскопараллельными зеркалами. Отражаясь от зеркал, кванты света будут многократно проходить через усиливающую среду. Если квант света, прежде чем он будет поглощен зеркалами или внутри образца, успеет вызвать индуцированное излучение более одного кванта (т. е. если в системе будет выполнено условие самовозбуждения генератора), то такая система будет работать как генератор...
Следует особо подчеркнуть, что, когда квантовая система с обратной связью работает как генератор, ее излучение имеет строго определенное значение частоты. Это свойство отличает излучение генератора от всех других источников света: ламп накаливания, люминесцентных ламп и даже источников света с очень узкими спектральными линиями атомов и молекул.
Монохроматичность излучения квантового генератора - следствие свойств индуцированного излучения: частота кванта при индуцированном излучении равна частоте кванта, вызвавшего излучение...
Обычно в полупроводниковых квантовых генераторах резонатором служит сам образец, так как в полупроводниковых кристаллах большая диэлектрическая постоянная и отполированная граница раздела воздух - диэлектрик способна отражать около 30% излучения...
Так как в генераторах на р - n-переходах происходит прямое преобразование энергии электрического тока в когерентное излучение, то коэффициент полезного действия может приблизиться к единице. Уже сейчас удается делать диоды, имеющие КПД 70-80%.
Очень высоким коэффициентом полезного действия должны обладать и квантовые генераторы с монохроматической оптической накачкой, так как частота накачки может быть близка к частоте излучения.