|
Рис. 2. Распределение Ферми (m – уровень Ферми)
Вспомним теперь, что уровни Е2 и Е1 разделены запрещенной зоной и находятся соответственно в зоне проводимости и в валентной зоне. Неравновесные носители, т. е. неравновесные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, создаваемые каким-то источником накачки, обладают конечными временами жизни в зонах. На протяжении этого времени термодинамическое равновесие не соблюдается, и, следовательно, единого уровня Ферми для всей системы в целом не существует. Однако если в электронном и дырочном газах в отдельности за время, меньшее времени жизни носителей в зонах, устанавливается свое квазиравновесное состояние фермиевского типа, но с одной и той же температурой для всей системы, а равновесие между этими газами отсутствует, то можно ввести так называемые квазиуровни Ферми отдельно для электронов в зоне проводимости mn и дырок в валентной зоне mp.
Допустимость введения отдельных квазиравновесных функций распределения для дырок и электронов в валентной зоне и в зоне проводимости соответственно априорно не очевидна. Она оправдывается тем, что по крайней мере в нескольких полупроводниках время термализации электронов в пределах зоны (0.1 пс) на три – четыре порядка меньше характерного времени межзонной термализации (1–10 нс).
Вернемся к условию инверсии (10). Представив в соответствии с проведенным выше обсуждением f(E2) и f(E1) в виде
| | | частью неона. Непосредственно в генерации участвуют лишь энергетические уровни неона; гелий необходим для создания эффективного механизма возбуждения атомов неона. Большинство He–Ne-лазеров возбуждается разрядом постоянного тока, создаваемым высоким напряжением, приложенным к заполненному газом объему. Атомы гелия легко перевести электронным ударом в одно из нескольких метастабильных энергетических состояний.
Атом неона, имеющий на внешней оболочке на шесть электронов больше, чем гелий, обладает крайне сложной схемой возбужденных состояний. Энергии двух из этих состояний почти точно совпадают со значениями энергии для двух из метастабильных состояний гелия. Если энергии настолько близки, то соударение атома гелия с неоном может приводить к эффективной передаче энергии от атома гелия в метастабильном состоянии к атому неона в основном состоянии. Столкновение, которое приводит к такому типу передачи энергии, называется резонансным соударением. Схема энергетических уровней гелия и неона показана на рис. 1.
В литературе встречаются различные обозначения энергетических уровней атомов. Часто применяется система обозначений, отвечающая LS-связи. В этом случае состояние атома характеризуется суммарным орбитальным моментом L и суммарным спиновым моментом S. Спектральные термы в зависимости от величины L обозначаются символами S, P, D, F … и т.д. Так, состояние с L = 0 обозначается символом S, состояние с L = 1 – символом P, состояние с L = 2 – символом D и т. д. Сверху слева от этих символов указывается мультиплетность терма 2S + 1, внизу справа – полный момент атома J, а перед буквой, обозначающей спектральный терм, ставится значение главного квантового числа возбужденного электрона. Например, обозначение 31P1 означает, что речь идет о терме, у которого L = 1, J = 1, 2S + 1 = 1, т. е. S = 0 и главное квантовое число n = 3.
Часто в литературе пользуются обозначениями Пашена. Они компактны и носят полуэмпирический характер, не имея | |