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.