Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
Уже во время войны создателям радиолокационных установок пришлось вспомнить о кристаллических детекторах, поскольку электронно-вакуумные выпрямители и преобразователи частоты в области сантиметровых воли работали неэффективно. Электронные лампы исчерпали свои возможности и для развития других областей радиотехники. После создания транзистора широко развернулись научно-исследовательские работы по физике, химии и технологии полупроводников. Теоретически и экспериментально изучаются зонная структура полупроводников, поверхностные и контактные явления, р~п-переходы и гетеропереходы, рассеяние электронов в кристалле и другие явления. Разработана технология синтеза и выращивания сверхчистых полупроводниковых монокристаллов. Промышленность ежегодно выпускает многие миллионы полупроводниковых диодов и транзисторов, которые повсеместно вытесняют электронные лампы. По сей день продолжается триумфальное развитие полупроводниковой техники, основанной на применении и совершенствовании этих приборов.
Однако в начале 60-х годов начали вырисовываться новые направления развития техники и стало ясно, что полупроводниковые диоды и транзисторы ожидает та же судьба, которая постигла электронные лампы. Они будут применяться для решения ограниченного круга задач, а дальнейший прогресс техники связан с переходом от дискретных систем к интегральным схемам и более широкому использованию оптиче-. ских явлений в полупроводниках.
Создание в 1962 г-, инжекционных лазеров, в следующем году генераторов Ганна, появление нелинейной оптики, микроэлектроники и оптоэлектроники, несомненно, свидетельствует
о начале нового, четвертого, этапа в развитии физики и техники полупроводников. Характерная особенность этого этапа— широкое применение и непрерывное совершенствование оптических методов изучения свойств полупроводников, исследование их взаимодействия с мощными потоками излучения, разработка и создание приборов, в основе механизма действия которых лежат процессы поглощения и испускания света и нелинейные оптические явления. В работе полупроводниковых приборов предыдущего периода оптические процессы либо вообще не играли никакой роли, либо служили вспомогательным средством для создания или управления потоком электронов.
Оптические методы исследования, сыгравшие решающую роль в изучении свободных атомов и молекул, позволяют сейчас глубоко проникнуть в строение кристалла и определить его энергетический спектр в широком диапазоне от долей электрон-вольта до двух-трех десятков электрон-вольт. При больших интенсивностях возбуждающего света могут возникнуть различные нелинейные эффекты: многофотонное поглощение, испускание удвоенных, разностных и суммарных частот, вынужденное рассеяние света. Показатель преломления, коэффициенты отражения и поглощения становятся функциями интенсивности падающего луча, мощности поглощения и люминесценции стремятся к насыщению, люминесценция деполяризуется и возникает вынужденный дихроизм. В ряде кристаллов обнаружено образование биэкситонов и экситонных капель.
Исследование, нелинейных оптических эффектов служит новым и весьма важным источником информации о строении вещества и позволяет создавать просветляющиеся и затемняющиеся фильтры и ограничители света, пассивные затворы для лазеров и преобразователи частот, устройства для скоростной записи и считывания динамических голограмм и другой информации.
В полупроводниковых световых диодах происходит прямое и непосредственное преобразование электрической энергии в
5
световую. Эффективность самого процесса преобразования энергии необычайно высока и приближается к своему предельному значению. В диодах из арсенида галлия практически при каждой рекомбинации электрона и дырки в определенных условиях возникает квант света. Это открывает новые перспективные пути для создания источников света с к. п. д., достигающим нескольких десятков процентов.
Полупроводниковые источники некогерентного света и ла-. зеры миниатюрны, работают при температуре окружающей среды, имеют высокую механическую прочность и сравнительно большой срок службы. В отличие от ламп накаливания, спектр излучения которых простирается далеко как в инфракрасную, так и в ультрафиолетовую области, они характеризуются узкой полосой люминесценции в нужном участке спектра. Путем модуляции тока инжекции излучение диодов легко промодули-ровать до частот в несколько гигагерц. Поэтому они все шире применяются в системах связи, в индикаторных устройствах, для ввода и вывода информации в вычислительных машинах и другом оборудовании.
Между двумя инжекционными лазерами можно установить нелинейную оптическую связь.; величина порога генерации одного диода будет зависеть от того, генерирует второй лазер или нет. Такая система является оптическим аналогом электрического тригера — основной ячейки электронно-вычислительных машин. Поэтому сейчас открываются реальные возможности для разработки вычислительных машин четвертого поколения, которые будут приводиться в действие не электрическими, а световыми импульсами. Их быстродействие будет на несколько порядков больше, чем у существующих электронных счетно-решающих устройств.
