Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Зи С.М. -> "Физика полупроводниковых приборов" -> 178

Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.

Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов — М.: Энергия, 1973. — 656 c.
Скачать (прямая ссылка): fizikapoluprovodnikovihpriborov1973.djvu
Предыдущая << 1 .. 172 173 174 175 176 177 < 178 > 179 180 181 182 183 184 .. 228 >> Следующая

2. Полупроводники с прямой и непрямой зоной. Как обсуждалось в гл. 2,
по структуре энергетических зон полупроводники могут быть разделены на
два типа: полупроводники с прямой зоной, такие, как арсенид галлия, у
которых нижнему минимуму зоны проводимости и верхнему максимуму валентной
зоны соответствует одно и то^ же значение волнового числа, и
полупроводники с непрямой зоной, такие, как кремний, в которых
экстремумам зон соответствуют различные значения волнового числа.
Вследствие того, что оптические переходы в полупроводниках с прямой зоной
являются процессами первого порядка (т. е. импульс сохраняется
автоматически), оптический коэффициент усиления в этих веществах должен
быть высоким. С другой стороны, оптические переходы (процесс b на рис. 26
в гл. 2) в полупроводниках с непрямой зоной является процессом второго
порядка (с участием фононов или других рассеиваю-
Дс ! После
hti/i
а) Поглощение
5-"-*
С,-----
* б) Спонтанное
излучение
Cr-----
в) Стимулированное излучение
Рис. 1. Три основных типа переходов между двумя энергетическими уровнями
?I и Е2. Черные точки обозначают состояние атома. Начальному состоянию
соответствует рисунок слева; конечное состояние после протекания
соответствующего процесса изображено справа [Л. 17].

щих агентов для сохранения энергии и импульса , так что вероятность
излучательных переходов в этих веществах мала и коэффициент усиления
ниже, чем в материалах с прямой зоной.
Приведенные выше рассуждения справедливы только для меж-зонных переходов
и переходов с участием экситонов в чистых полупроводниках. В
сильнолегированных полупроводниках при меж-тгримесных переходах правило
сохранения импульса может и не выдерживаться. Несмотря на это, в
настоящее время показано, что все полупроводники для лазеров должны
обладать прямой зоной.
Рис. 2. Зависимость плотности состояний от энергии в полупроводнике [Л.
156].
а - состояние равновесия, Т=О °К; б - инверсия, Т=0 СК; в - инверсия, Т>0
°К.
3. Инверсная населенность. Населенность считается инверсной, когда в
возбужденном состоянии находится больше атомов, чем в основном. Если
фотон с энергией hvi2 сталкивается с системой с инверсной населенностью
уровня Е2 по отношению к уровню Ei (рис. 1), стимулированная эмиссия
будет преобладать над поглощением и больше фотонов с энергией ftvi2 будет
покидать систему, чем входить в нее. Такое явление называется квантовым
усилением.
Для того чтобы рассмотреть условия инверсной населенности для
полупроводниковых лазеров, обратимся к рис. 2, на котором изображена
зависимость энергии от плотности состояний в полупроводнике с прямой
зоной. На рис. 2,а представлены равновесные условия при 7'=0°К для
собственного полупроводника. Заштрихованная площадь соответствует
заполненным состояниям. Рисунок 2,6 соответствует случаю инверсной
населенности при Т=0 °К. Эта инверсия может быть осуществлена, например,
фотовозбуждением фотонами, обладающими энергией, превышающей ширину
запрещенной зоны Eg. Валентная зона пуста до энергетического уровня Efv,
а зона проводимости заполнена до уровня EFc. Фотоны, имеющие энергию hv
(Ee<hv<(EFc-Efv)), вызывают переходы электронов на нижиие уровни, что
приводит в свою очередь к возникновению стимулированной эмиссии.
При конечных температурах распределение носителей "размазано" по
энергиям, как показано на рис. 2,е. Хотя общее тепловое равновесие всей
системы отсутствует, носители в данной энергетической зоне находятся в
тепловом равновесии друг с другом. Вероятность заполнения состояния в
зоне проводимости определяется распределением Ферми - Дирака
fc(?)= (Е- Ерс\ ' W
1+"Ч-1йН
где Efc - квазиуровень Ферми для электронов в зоне проводимости. Подобное
выражение справедливо для валентной зоны.
Рассмотрим интенсивность излучения фотонов с частотой v, обусловленного
переходами с верхних состояний с энергией, близкой Е, в зоне проводимости
в нижние состояния бпиз (Е-hv) в валентной зоне. Интенсивность излучения
пропорциональна произведению плотности занятых верхних состояний
nc(.E)Fc(E) и плотности незанятых нижних состояний nv (Е-ft'v)'[l-iFv{E-
hv)]. Полная интенсивность излучения получается интегрированием по всем
энергиям:
^излучения ~ j пс (Е) Fc (Е) nv (? - ftv) [1 - Fv (Е - A")] dE. (2)
Точно так же можно написать для интенсивности поглощения
^поглощения J t'V № hv) FV(E - hv) rif. (/:) [1 - F^. (?)] dE (3)
с тем же коэффициентом пропорциональности, который включает квадрат
матричного элемента вероятности перехода. Для существования усиления
требуется, чтобы выполнялось условие В7излучения> >^поглощения. Из
уравнений (1)-(3) при соответствующих значениях квазиуровней Ферми EFV и
ЕРС получим [Л. 19]:
Ерс-Еi у '>h\\ (4)
Это - условие, необходимое для того, чтобы стимулированное излучение
преобладало над поглощением для межзонных переходов в собственном
полупроводнике. Если полупроводник содержит примеси и энергетический
уровень примеси является либо конечным, либо начальным состоянием,
Предыдущая << 1 .. 172 173 174 175 176 177 < 178 > 179 180 181 182 183 184 .. 228 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed