Вестник МГТУ. 2016, №4.

Вестник МГТУ. 2016. Т. 19, № 4. С. 697–703. DOI: 10.21443/1560-9278-2016-4-697-703 697 УДК 621.315.592 С. В. Власова, В. В. Петров, П. Ю. Шапочкин Использование полупроводниковых лазерных диодов в области низких температур В работе проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование возможности использования серийно выпускаемых полупроводниковых лазерных диодов в области низких температур, вплоть до температуры 50 К. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки датчиков для дистанционного измерения низких температур на основе полупроводниковых лазерных излучателей. Для реализации идеи проведен анализ зависимости длины волны, излучаемой полупроводниковым лазерным диодом, от температуры среды. Рассмотрены физические причины, определяющие указанную зависимость. Показано, что температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны является ключевым фактором, определяющим зависимость длины волны излучения лазера от температуры среды. Выполнен расчет численных значений температурного коэффициента изменения ширины запрещенной зоны для исследуемых полупроводниковых лазерных диодов, осуществлено сравнение результатов эксперимента с литературными данными. Экспериментальное определение температурного коэффициента изменения ширины запрещенной зоны для диодов некоторых марок показало, что в области температур 130÷150 К происходит резкое возрастание модуля величины анализируемого параметра. Высказано мнение, что требуются дальнейшие исследования в этом направлении, объясняющие возможные причины наблюдаемого эффекта. Для выяснения влияния температуры на характер спектра излучения полупроводникового лазерного диода выполнены измерения спектра излучения при нескольких температурах. Показано, что при определенной температуре полупроводниковый лазерный диод может работать в одномодовом режиме. Отмечено, что значение температурного коэффициента изменения ширины запрещенной зоны сохраняется, независимо от режима работы лазера (одномодовый, многомодовый, режим спонтанного излучения). Результаты исследования, представленные в статье, актуальны для анализа работы лазерных излучателей при низких температурах эксплуатации. Ключевые слова: полупроводниковые лазерные диоды, спектры излучения, влияние температуры, одночастотный режим, температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны. Введение В настоящее время полупроводниковые лазерные диоды широко используются в различных областях науки и техники. Возможности применения этих устройств далеко не исчерпаны. Идет дальнейший поиск современных источников излучения, работающих в жестких условиях эксплуатации, в том числе при низких температурах, характерных для Арктического региона. Например, обсуждается возможность создания дистанционного измерителя низких температур, в которых датчиком является полупроводниковый лазерный диод [1]. Авторы работы [1] опираются на корреляцию между температурой, при которой эксплуатируется полупроводниковый диод, и длиной волны его излучения. Однако чтобы создать предлагаемый датчик низких температур, следует детально изучить зависимость параметров излучения лазерного диода от условий, в которых он эксплуатируется. Также необходимо, опираясь на теоретические представления, исследовать причины, вызывающие изменение длины волны излучения лазерного диода в зависимости от условий эксплуатации. Настоящая работа посвящена изучению характеристик излучения серийно выпускаемых лазерных полупроводниковых диодов в широкой области температур, а также обсуждению возможных причин, вызывающих изменение длины волны излучения при изменении температуры эксплуатации диода. Методы и результаты исследования Известно [2], что в полупроводниковых лазерах оптический спектр излучения формируется за счет межзонных переходов (или переходов "зона – зона", т. е. из состояний у нижнего края зоны проводимости на состояния у верхнего края валентной зоны), экситонных переходов (при рекомбинации электрона и дырки, связанных в нейтральное подвижное образование экситон), переходов «зона – "мелкая примесь"» (имеется в виду локальный центр, обладающий энергетическим уровнем, отщепленным от одной из разрешенных зон на малое энергетическое расстояние по сравнению с шириной запрещенной зоны). Таким образом, длина волны λ излучения полупроводникового лазера связана с шириной запрещенной зоны E g соотношением [2] λ , g hc E ≅ (1) где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме.