Малюнок 15 Освіта об'ємного заряду і внутрішнього поля в pn переході
Це означає, що з переходом з p-области в n-область електростатичний потенціал електрона зростає, а в нейтральних областях діода він постійний.
Зміна потенційної енергії електрона поблизу pn-переходу приводить до викривлення енергетичних зон напівпровідника. Між p і n областями діода при відсутності зовнішнього впливу встановлюється термодинамічна рівновага і розподіл електронів і дірок характеризується одним рівнем Фермі E F .
Якщо до лазерного діоду докласти електрична напруга в прямому напрямку (плюс до p-області) , то викривлення зон зменшиться, оскільки зовнішнє електричне поле спрямоване проти внутрішнього електричного поля e внутр , і знизиться потенційний бар'єр, створений внутрішнім полем.
Малюнок 16 Напівпровідниковий перехід без зовнішнього поля
Електрони і дірки будуть рухатися назустріч один одному . Їх квазірівноважне розподіл по енергіях характеризується двома квазірівні Фермі F n і F p .
При цьому в деякому шарі напівпровідника може виявитися, що
F n - F p > E g , тобто виконується умова інверсної населеності .
Малюнок 17 Напівпровідниковий перехід при наложенііпрямого зовнішнього поля
При однаковій концентрації електронів і дірок квазіуровень Фермі в n -області заходить глибше в зону провідності, ніж у валентну зону в p -області, так як щільність станів в зоні провідності зазвичай менше, ніж у валентній зоні. У результаті цього активний шар зміщений в p-область діода.
При преход електронів з більш високих енергетичних рівнів на нижчі відбувається випромінювання квантів світла .
В активній області напівпровідникового кристала можуть бути наступні електронні стани:
поглинання фотонів атомами кристала;
спонтанне випромінювання фотонів;
стимульоване випромінювання фотонів.
В умовах термодинамічної рівноваги населеність електронами нижнього рівня N 1 завжди більше населеності верхнього N 2. Тому електромагнітна хвиля втрачає більше енергії, ніж здобуває, тобто має місце поглинання світла.
Щоб створити умови для посилення світла необхідно, щоб випромінюються хвилі в результаті вимушених переходів електронів з верхніх рівнів на нижні рівні за частотою, напрямку поширення, поляризації і фазі були тотожні первинної хвилі і, отже, когерентні один одному . Саме когерентність вимушеного випромінювання призводить до посилення світлової хвилі в середовищі з інверсією населенностей, а не просто до додаткового випромінювання нових хвиль.
Для посилення випромінювання необхідно, щоб на верхньому рівні в розрахунку на одне квантово-механічний стан було часток (електронів) більше, ніж на нижньому.
Оптичний резонатор
