Главная > Теория поглощения и испускания света в полупроводниках
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

ВВЕДЕНИЕ

В истории развития физики и техники полупроводников можно выделить четыре периода.

Первый период охватывает XIX век и первую четверть XX века. Это предыстория учения о полупроводниках. Полупроводники уже открыты, по совокупности специфических свойств выделены в особый класс веществ, но еще не существует физики полупроводников как самостоятельного раздела науки.

В 1833 г. Н. Фарадей установил, что электросопротивление сернистого серебра падает с ростом температуры. Такая закономерность при высоких температурах типична для всех полупроводников в отличие от металлов, у которых сопротивление растет с повышением температуры. Через сорок лет В. Смит открыл фоточувствительность селена, известного с 1817 г., и построил первые фотосопротивления. В 1879 г. Е. Холл обнаружил возникновение поперечной э.д.с. при прохождении электрического тока через проводник, помещенный в магнитное поле. Эффект Холла сразу же стал использоваться для определения концентрации и типа носителей заряда в полупроводниках. В этот же период было установлено выпрямляющее действие контактов металл — полупроводник (1886 г.), а в 1923 г. О. В. Лосев обнаружил свечение при прохождении тока через такие контакты в карбиде кремния.

Необычные свойства полупроводников невозможно было объяснить на основе классической физики, и они не находили сколько-нибудь серьезного применения в технике. Созданные к этому времени кристаллические точечные диоды, выпрямители и фотосопротивления были маломощны, капризны, неустойчивы в работе и практически не выходили за пределы научных лабораторий.

Второй период — период становления физики полупроводников как науки и создания приборов на основе полупроводниковых материалов — начался после возникновения квантовой механики и разработки более совершенной технологии выращивания чистых монокристаллов. В 1927 г. Л. Грондель и П. Гейгер построили технический выпрямитель на закиси

меди. К 1930 г. трудами А. Вильсона и Н. Мотта в Англии, В. Шоттки и К. Вагнера в Германии, А. Ф. Иоффе и Я. А. Френкеля в СССР были заложены основы современной физики полупроводников.

Концентрация и движение носителей заряда в полупроводниках сильно зависят от наличия примесей в кристалле и от температуры, весьма чувствительны к действию электрического и магнитного полей и светового облучения. Появляется обширная литература, посвященная исследованию всех этих эффектов и созданию на их основе разнообразных приборов. Однако в этот же период электронная лампа вытесняет кристаллические детекторы. К началу второй мировой войны они почти полностью сошли со сцены.

В 1948 г. Д. Бардин, В. Брэттен и В. Шокли открыли транзисторный эффект и создали первый полупроводниковый триод (транзистор) — аналог усилительной лампы. С этого времени начался новый, третий, период бурного развития полупроводниковой радиотехники, автоматики и телемеханики.

Работа электронной лампы и транзистора основана на управлении потоком свободных или квазисвободных электронов. Чтобы создать поток электронов в лампе, необходимо затратить энергию на нагревание катода и обеспечить на их пути высокий вакуум. В транзисторе необходимые электроны вводятся путем легирования кристалла при его выращивании и изготовлении прибора. Концентрация и плотность потока электронов в полупроводнике во много раз больше, чем в электронной лампе. Поэтому полупроводниковые приборы миниатюрны, экономичны, механически прочны и всегда готовы к действию.

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, -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 оптических 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

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 лазеры 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 промодулировать 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.

Изучение полупроводников ведется широким фронтом, и поток литературы, посвященной отдельным вопросам, исключительно велик. Успешному продвижению фронта исследований, особенно в новых направлениях, в значительной степени способствует своевременное обобщение накопленных резуль-татов и теоретических методов расчета. Настоящая монография призвана внести определенный вклад в решение этой задачи.

Для удобства читателя в первой главе приведена сводка общих сведений из физики твердого тела, которые. используются при изложении основного материала. Ряд параграфов написан на основании обобщения работ автора, выполненных в последние годы. Книга отражает основные достижения в области полупроводниковой квантовой электроники и лазерной спектроскопии.

1
Оглавление
email@scask.ru