Файл: взаимод_изл_вещЛ4_2013.pdf

Газодинамiчний метод створення iнверсних станiв.

Робочий газ, нагрiтий до високої температури швидко охолоджується. Час релаксацiї при встановленнi

термодинамiчної рiвноваги рiзний, то при швидкiй змiнi

температури газу на деяких переходах виникає негативна

температура.

із речовиною

Створення інверсійної населеності при сортуванні часток в магнітних та електричних полях

Принципова схема квадрупольної електричної та магнітної систем.

Створення інверсійної населеності при хімічних реакціях заміщення

А+(ВС) (АВ) *+С

Можуть ініціюватись та прискорюватись за допомогою: світла, електронного потоку, розрядом, температурою, вибухом.

із речовиною

Енергетичний спектр ідеального напівпровідникового кристалу

складається із широких смуг дозволених станів електронів – зони провідності та валентної зони, що розділені зоною заборонених станів

(заборонена зона).

За умов термодинамічної рівноваги розподіл електронів за енергетичними станами описується функцією Фермі-Дірака

де функція fe(E) -- імовірність того, що електрон знаходиться у стані з енергією E.

із речовиною

Імовірність знайти на даному рівні з енергією E дірку буде

дорівнювати імовірності відсутності на цьому рівні електрона

Властивості рівня Фермі :

-з рівнем Фермі співпадає енергетичний рівень, імовірність заповнення якого дорівнює одиниці;

-рівень Фермі представляє собою хімічний потенціал електронів даної системи.

Положення рівня Фермі залежить від типу напівпровідника, кількості домішок та температури.

Для власного напівпровідника: при T = 0 рівень Фермі проходить посередині забороненої зони.

У домішковому слабколегованому напівпровіднику n - типу при T = 0 рівень Фермі проходить посередині між дном зони провідності та донорним рівнем. Зі збільшенням температури рівень Фермі спочатку зростає, а потім падає, прямуючи до середини забороненої зони.

Положення рівня Фермі

для власного та п – типу

напівпровідників

із речовиною

У домішковому слабколегованому напівпровіднику p - типу при

T = 0 рівень Фермі проходить посередині між верхньою границею валентної зони та акцепторним рівнем; з ростом температури він

спочатку падає, а потім зростає, прямуючи до середини забороненої

зони.

Положення рівня Фермі для напівпровідників р – типу .

із речовиною

В системі, яка складається із декількох напівпровідників n - і p -

типу, що знаходяться в тепловій рівновазі, енергетичний рівень Фермі для

них буде однаковим.

У випадку p-n переходу рівень Фермі буде однаковим для p- та n-

областей, що приводить до виникнення потенційного бар'єру.

Розміщення енергетичних

слаболегованого напівпровідника

із речовиною

У сильнолегованих вироджених напівпровідниках рівень Фермі

знаходиться у зоні провідності для матеріалу n -типу і у валентній зоні для

матеріалу p –типу.

У верхній частині валентної зони (p-область) електронів немає

(висока густина дірок). Вище дна зони провідності (n –область) -- висока

густина електронів. Однак, у рівноважному стані струму немає.

Розміщення енергетичних

сильнолегованого напівпровідника

із речовиною

Умова отримання інверсійної населеності у напівпровідникових

матеріалах залежить від типу переходу:

-зона-зона;

-зона-домішок (квазіміжзонні);

-переходи між рівнями домішок

-переходи між рівнями розмірного квантування (міжзонні переходи).

Упрактично всіх створених напівпровідникових лазерів використовуються міжзональні (вертикальні, а матеріали -- прямозонні)

переходи:

- рекомбінація електронів зони провідності з дірками валентної

зони;

- генерація електронно-діркових пар.

із речовиною

При кожному переході -- виконання законів збереження енергії та

імпульсу.

При міжзональних переходах з поглинанням або випусканням

імпульс фотону .

із речовиною

Міжзональні переходи:

прямі -- без зміни імпульсу електрона;

непрямі -- імпульс електрона не зберігається (випускається або

поглинається квант-фонону – квант коливань кристалічної решітки).

p1 p2 pf pfn

де pfn -- імпульс фонону.

Імовірність прямих переходів набагато більше імовірності

непрямих переходів.