Разделы презентаций
- Разное
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Геометрия
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Математика
- Медицина
- Менеджмент
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
- Юриспруденция
Источники оптического импульсного когерентного излучения для информационных
Содержание
- 1. Источники оптического импульсного когерентного излучения для информационных
- 2. В 2007 г. изготовлено 827 097 534 п/п лазеровВ 2018 г. ожидается выпуск ~ 1,8 млрд.
- 3. Слайд 3
- 4. https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-54/issue-01/features/laser-diodes-the-power-of-brilliance-the-past-and-future-of-high-power-semiconductor-lasers.html
- 5. Вертикально-излучающие лазеры используются для лидаров, отслеживания движения
- 6. Основные положения зонной теорииАтомные ядра рассматриваются как
- 7. GaAsа – период решеткиa = 0.56533 нм
- 8. Электрон в периодическом электрическом полеU(x)=U(x+a)Теорема Блоха: волновая функция электрона в периодическом полеесть модулированная плоская волнаВолновойвектор электрона
- 9. Функции Блоха-Фукеа
- 10. Вставка функции Блоха в уравнение ШредингераДифференциальные уравнения
- 11. Следствием уравнения Блоха является выражение для средней
- 12. Образование зонной структурына примере свободного электронаУсловие Брэгга в одномерномслучае k = np/a
- 13. Приближение слабого периодического потенциала,Энергия 5 эВ – l = 0,5 нм
- 14. Образование энергетических уровней в системе из шести
- 15. Разрешенная энергетическая зона - интервал энергий, в
- 16. Запрещенная зона – интервал энергий, в пределахкоторых
- 17. Статистика носителей заряда в полупроводникахСтатистика Ферми и
- 18. Слайд 18
- 19. Схема электронных уровней атома водорода: а –
- 20. Если водород подвергнуть очень высокому давлению, он приобретает свойства
- 21. s-зонанаполовинузаполненаLi: 1s22s1
- 22. Na : 1s22s22p63s1. При образовании твердого тела
- 23. Mg: 1s22s22p63s23p0Al: 1s22s22p63s23p1
- 24. Слайд 24
- 25. Схемы строения различных модификаций углерода:1) алмаз, 2)
- 26. У атома углерода на последних энергетических уровнях
- 27. Зонная структура графита и графена.
- 28. Si: 1s22s22p63s23p2
- 29. Соединения AIIIBV – GaAs, InAs, GaP,
- 30. Слайд 30
- 31. Зонная теория твёрдого тела (Ф. Блох, Л. Бриллюэн – 1928-1934 гг.)Запрещённая зонаЗапрещённая зонаЗапрещённая зонаЗонапроводимостиЗонапроводимостиЗонапроводимостиВалентнаязонаВалентнаязонаВалентнаязонаМеталлДиэлектрикПолупроводникШкала проводимостисимменс/м
- 32. В основу строгого определения полупроводников может быть
- 33. Полупроводники характеризуются следующими свойствами: 1. В чистом
- 34. Незаполненную валентную связь, которая проявляет себя как
- 35. Нейтрализацию пары электрон проводимости — дырка проводимости
- 36. Электрический ток, возникающий в твердом теле под
- 37. Электропроводность полупроводниковСреднее значение скорости упорядоченного движения для
- 38. В анизотропных веществахВ сокращенном виде:- компоненты тензора второго ранга
- 39. Эффект ХоллаF – сила Лоренца
- 40. Слайд 40
- 41. Термоэдс (явление Зеебека)
- 42. Эффект Пельтье
- 43. Эффект Пельтье
- 44. Зонная структура полупроводников
- 45. Прямая и непрямая запрещенные зоны
- 46. Эффективная масса носителей зарядаM – матрица эффективной
- 47. В отсутствие столкновений электроны под воздействием электрического
- 48. Связь между зонной структурой, групповой скоростью и эффективной массой
- 49. В полностью заполненной зоне электрические токи, возникающие
- 50. Рисунок слева представляет электроны в валентной зоне
- 51. Статистика носителей заряда в полупроводникахСтатистика Ферми и
- 52. Статистика Ферми и уровень ФермиДля вырожденной системыКонцентрация электронов и уровень Фермидля невырожденной системыСтатистика Ферми—Дирака для дырок
- 53. Способ расчета концентрации носителей в полупроводниковых зонахВ
- 54. При концентрации носителей, превышающей эффективную плотность состояний
- 55. Пятивалентная примесь такая, как фосфор, введенная механизмом
- 56. Полупроводники с собственной (а) и примесной проводимостью:
- 57. В случае большой концентрации примесей (1018-1019 См-3
- 58. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это переходный слой
- 59. Полупроводниковый диоддонорыУровень ФермиУровень ФермиE~kTE~kT
- 60. Полупроводниковый диодДвижение электронов и дырок в области
- 61. Полупроводниковые приборы на основе p-n перехода
- 62. Оптические свойства полупроводников(1) Собственное, или фундаментальное, поглощение
- 63. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны в германии
- 64. (2) Поглощение на свободных носителях заряда. Для
- 65. (3) Экситонное поглощение, при котором образуется связанная
- 66. Край поглощения при B = 0 и T = 2 K.Р.П. Сейсян, М.А. Абдуллаев, 1973
- 67. (4) Примесное поглощениеСпектр фото термической ионизации кремния
- 68. (5) Решеточное (фононное) поглощениеВ полярных кристаллах под
- 69. (6) Внутризонное поглощение наблюдается в веществах, имеющих
- 70. Эффект Бурштейна-МоссаВ сильно легированных полупроводниках уровень Ферми
- 71. Эффект Франца-КелдышаВ присутствии электрического поля отсутствует порог
- 72. Дата рождения: 27 апреля (10 мая) 1903Место рождения: Тверь,
- 73. Слайд 73
- 74. Принцип работы полупроводникового светодиодаЭнергетическая диаграмма инжекционного светодиода.
- 75. СветодиодыИзлучение светодиода: некогерентно, широкий спектр (~ 50 нм), большая расходимость
- 76. Слайд 76
- 77. 3−4 мкм — нижний n-GaN контактный слой,
- 78. Интегральная кривая спектральной чувствительности глаза Кривые чувствительности различных рецепторов
- 79. Слайд 79
- 80. OLED (Organic Light-Emmitting Diode — органический светодиод) — тонкоплёночные
- 81. Приёмники оптического излучения на основе полупроводников с
- 82. Использование фотодиода в фотогальваническом (а) и фотодиодном
- 83. p-i-n фотодиодОграничения применения p-n фотодиодов в устройствах
- 84. p-i-n фотодиод – скоростной фотоприёмникБыстрый фотоотклик p-i-n
- 85. Принципиальная конструкция фотодиода на основе p-n перехода
- 86. Зависимость чувствительности отклика от длины волны дляфотодиодов
- 87. ЛитератураО.Звелто. Принципы лазеров.-М.:Мир, 1984Физика полупроводниковых лазеров.- М.:Мир,
- 88. Контрольные вопросы.1. Полупроводниковые лазеры – области применения.2.
- 89. Скачать презентанцию
В 2007 г. изготовлено 827 097 534 п/п лазеровВ 2018 г. ожидается выпуск ~ 1,8 млрд.
Слайды и текст этой презентации
Слайд 1Источники оптического импульсного когерентного излучения для информационных систем II
Полупроводниковые лазеры
Слайд 4https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-54/issue-01/features/laser-diodes-the-power-of-brilliance-the-past-and-future-of-high-power-semiconductor-lasers.html
Слайд 5Вертикально-излучающие лазеры используются для лидаров,
отслеживания движения глаз, ночного видения,
3D сканирования,
и множество других приложений.
Philips Photonics
Слайд 6Основные положения зонной теории
Атомные ядра рассматриваются как неподвижные источники поля,
действующего на электроны.
2. Расположение ядер в пространстве считается точно периодическим:
они размещены в узлах идеальной решетки данного кристалла3. Взаимодействие электронов друг с другом заменяется некоторым эффективным внешним полем (идеальный электронный газ в эффективном внешнем поле).
Слайд 8Электрон в периодическом электрическом поле
U(x)=U(x+a)
Теорема Блоха: волновая функция электрона в
периодическом поле
есть модулированная плоская волна
Волновой
вектор электрона
Слайд 10Вставка функции Блоха в уравнение Шредингера
Дифференциальные уравнения такого типа при
любых условиях на границах тел конечных размеров, а также при
периодических граничных условиях имеют бесконечное дискретное множество решений. В данном случае им соответствует бесконечное множество волновых функций k и значений энергии к. Эти значения образуют энергетические зоны, которые могут быть пронумерованы числами n = 1, 2, 3,... Номер зоны n является квантовым числом наряду со значением k.Уровни в зоне расположены близко друг к другу, и их заполнение подчиняется запрету Паули. Экспериментальные значения энергий, полученные для ширины зон, не превышают единиц электрон-вольт, поэтому в кристалле объемом в один кубический сантиметр, содержащем 1022—1023 атомов, количество уровней в разрешенных зонах равно 1О22—1023, а отличие в энергии между соседними уровнями составляет примерно 10-22 —10-23 эВ.
Слайд 11Следствием уравнения Блоха является выражение для средней скорости блоховского электрона
в
n зоне:
Если мы знаем закон дисперсии для электрона
(носителя заряда), то мы можем определить
среднюю скорость (в данной зоне)
Слайд 12Образование зонной структуры
на примере свободного электрона
Условие Брэгга в одномерном
случае k
= np/a
Слайд 14Образование энергетических уровней в системе из шести водородных атомов
при их сближении (приближение сильной связи)
По мере сближения атомов связь
между ними возрастает, уровни ранее изолированных атомов расщепляются. 
Слайд 15Разрешенная энергетическая зона - интервал энергий, в пределах которых значения
энергии электрона могут меняться непрерывно.
Разрешенную энергетическую зону, в которой при
абсолютном нуле температуры все энергетические уровни заняты электронами, называют заполненной зоной.
Верхнюю из заполненных зон полупроводника называют валентной зоной.
Разрешенную зону полупроводника, в которой отсутствуют электроны проводимости при абсолютном нуле, называют свободной зоной.
Свободную зону полупроводников, на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны проводимости, называют зоной проводимости.
Слайд 16Запрещенная зона – интервал энергий, в пределах
которых электрон в идеальной
кристаллической решетке не может существовать (брэгговское отражение волны электрона).
Ширина запрещенной
зоны — это разность энергий между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны. Уровень Ферми – при нулевой температуре (0K) является границей между заполненными электронными состояниями под ним и незаполненными состояниями над ним.
Энергия уровня Ферми — это максимальная энергия, которую могут иметь электроны металла при абсолютном нуле.
Слайд 17Статистика носителей заряда в полупроводниках
Статистика Ферми и уровень Ферми
Статистика Ферми-Дирака
Распределение
вероятности заполнения
f(E) состояния с энергией E
По определению, уровень Ферми есть
химический потенциал частиц в системе. Он описывает количество энергии, которое должно быть потрачено для того, чтобы добавить одну частицу (расположенную изначально далеко) в систему. При термодинамическом равновесии этот химический потенциал одинаков для всех частиц и идентичен по всей структуре.
Слайд 19Схема электронных уровней атома водорода: а – без учёта спина
электрона и спина ядра, б – тонкое расщепление уровней, учитывающее
спин электрона, в - сверхтонкое расщепление уровней, учитывающее взаимодействие магнитного момента электрона с магнитным моментом ядра. λ = 21 см (частота излучения 1420 МГц) . Молекула водорода – диэлектрик – 1s состояние заполнено. При большом давлении – металл.
Слайд 20Если водород подвергнуть очень высокому давлению, он приобретает свойства металла. Сжатие водорода
заставляет его молекулы сближаться друг с другом. Обычно пустые разрыхляющие молекулярные орбитали
образуют зону проводимости с энергетическими уровнями, очень близкими к энергетическим уровням связывающих молекулярных орбиталей, которые при сжатии водорода образуют валентную зонуЗонная структура
металлического водорода.
Слайд 22Na : 1s22s22p63s1. При образовании твердого тела уровень 3s расщепляется
в зону 3s, в которой находится N электронов, заполняющих нижнюю
половину зоны по два электрона на каждом уровне. Зона ЗS1 перекрывается со свободной зоной Зр, некоторые уровни зоны Зр оказываются расположенными в нижней половине зоны 3s и часть электронов зоны 3s располагается на уровнях зоны 3р.Металл
Металлами называют твердые тела, у которых разрешенная зона заполнена электронами не полностью, а если и полностью, то перекрывается со свободной зоной.
Образуется объединенная зона s-p, в которой может разместиться 8N электронов, а находится всего N электронов.
Слайд 25Схемы строения различных модификаций углерода:1) алмаз, 2) графит,
3) лонсдейлит
4) фуллерен - C60, 5) фуллерен ‒ C540, 6) фуллерен
‒ C707) аморфный углерод, 8) углеродная нанотрубка.
Слайд 26У атома углерода на последних энергетических уровнях 2s и 2р
находится по два электрона. При сближении атомов углерода уровни 2s
и 2р сначала расщепляются в отдельные зоны вместимостью 2N и 6N электронов соответственно, затем эти зоны сливаются в одну вместимостью 8N электронов, а при дальнейшем уменьшении расстояния до постоянной решетки эта зона распадается на две, в каждой из которых может находиться по 4N электронов, но одна из этих зон располагается энергетически значительно выше другой, поэтому 4N электронов состояний 2s и 2р целиком заполняют нижнюю зону, а верхняя остается свободной. Ширина запрещенной зоны ~6 эВ .Алмаз
С60
Граффит
ДИЭЛЕКТРИКИ
Слайд 29Соединения AIIIBV – GaAs, InAs, GaP, AIIBVI – ZnS,
CdS, ZnTe
AlGaInP – 0.6-0.8 m, AlGaAs – 0.7-0.9 m, InGaAsP
– 1.0-1.65 m
Слайд 31Зонная теория твёрдого тела
(Ф. Блох, Л. Бриллюэн – 1928-1934 гг.)
Запрещённая
зона
Запрещённая зона
Запрещённая зона
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Валентная
зона
Валентная
зона
Валентная
зона
Металл
Диэлектрик
Полупроводник
Шкала проводимости
симменс/м
Слайд 32 В основу строгого определения полупроводников может быть положено заполнение электронами
энергетических зон:
полупроводники — это вещества, в которых при температуре
Т — 0 К над целиком заполненной зоной лежит пустая зона (т. е., в отличие от металлов, отсутствует поверхность Ферми), но в то же время зазор между этими зонами — так называемая запрещенная зона — достаточно мал (в отличие от диэлектриков), чтобы при представляющих интерес температурах количество электронов, «забрасываемых» тепловым движением в верхнюю (пустую при Т = 0 К) зону, давало существенный вклад в проводимость и другие явления.Заполненную при Т — 0 К зону, в которой при Т > 0 К образуется небольшое число пустых состояний — «дырок», принято называть валентной зоной, так как она (в терминах приближения сильной связи) образована электронами, определяющими валентность соответствующих атомов, а зону, пустую при Т — 0 К, — зоной проводимости.
Слайд 33Полупроводники характеризуются следующими свойствами:
1. В чистом полупроводнике проводимость экспоненциально
растет с температурой
2. В примесном полупроводнике проводимость сильно зависит
от концентрации примесей. 3. Проводимость меняется при облучении полупроводника светом или электронами высокой энергии, а также при инжекции носителей тока из подходящего металлического контакта
4. В зависимости от характера легирования заряд может
переноситься либо электронами, либо так называемыми поло-
положительно заряженными «дырками». В электрическом поле дырка движется так же, как позитрон.
Электрон проводимости - электрон полупроводников, энергия которого находится в частично заполненной энергетической зоне (зоне проводимости)
Дырка — квазичастица с положительным зарядом равным элементарному заряду в полупроводниках, энергия которой находится в заполненной энергетической зоне (валентной зоне)
Слайд 34Незаполненную валентную связь, которая проявляет себя как положительный заряд, равный
заряду электрона, называют дыркой проводимости или вакансией. Возникновение в результате
энергетического воздействия в полупроводнике пары электрон проводимости — дырка проводимости называется генерацией пары носителей заряда.
Слайд 35Нейтрализацию пары электрон проводимости — дырка проводимости называют
рекомбинацией носителей
заряда.
Носители заряда, возникновение которых явилось следствием тепловых колебаний кристаллической решетки
полупроводника в условиях термодинамического равновесия, называют равновесными носителями заряда. 
Слайд 36Электрический ток, возникающий в твердом теле под действием электрического поля,
представляет собой направленный поток частиц— носителей заряда, который накладывается на
хаотическое движение, совершаемое носителями заряда в отсутствие электрического поля.При приложении внешнего электрического поля электроны приобретают некоторую направленную против поля скорость.
Следовательно, электроны под действием приложенного поля, не переставая двигаться хаотически, смещаются в направлении против поля.
Гаркуша Ж.М. Основы физики полупроводников — М.: Высш. школа, 1982. — 245 с, ил.
Слайд 37Электропроводность полупроводников
Среднее значение скорости упорядоченного движения для одного электрона (с
учетом соударений)будем обозначать через v, а среднее значение этой скорости
для всей совокупности электронов — через - дрейфовая подвижность
заряженных частиц
плотность электрического тока равна
согласно закону Ома
где —удельная электропроводность вещества.
Слайд 46Эффективная масса носителей заряда
M – матрица
эффективной массы
Для свободных электронов
Эффективная
масса >0, когда кривизна вверх
Эффективная масса
большинства полупроводников валентные зоны вырождены при k = 0. Причиной этого является преимущественно триплетная природа sр3-орбиталей, формирующих валентную зону. Однако вырождение снимается при к k = 0, что приводит к подзонам с различной кривизной. При этом подзоны с малой кривизной обладают большей эффективной массой. Такие подзоны называются подзонами тяжелых дырок. И напротив, подзоны с большей кривизной называются подзонами легких дырок. 
Слайд 47В отсутствие столкновений электроны под воздействием электрического поля будут циклично
обращаться по зоне Бриллюэна периодическим образом. Это приводит к явлению,
известному как блоховские осцилляции.Реакция волнового пакета может быть описана ньютоновской динамикой с заменой массы частицы на ее эффективную массу
Динамическая интерпретация эффективной массы
Слайд 49В полностью заполненной зоне электрические токи, возникающие с участием заполненных
состояний при k и —k будут компенсироваться. В частично незаполненной
зоне электроны под воздействием силы F приобретают скорость v . Таким образом, электроны переносятся вдоль оси симметрии, при этом полный баланс скоростей является ненулевым. Таким образом, такая неполная зона может быть проводящей.
Слайд 50Рисунок слева представляет электроны в валентной зоне как частицы с
отрицательным зарядом и эффективной массой. Под влиянием электрического поля электроны
переносятся в направлении состояний с отрицательными значениями к. При определении дырки при -к может рассматриваться как отсутствие электрона, при к дырка может рассматриваться как квазичастица с положительными зарядом и массой (q = е).
Слайд 51Статистика носителей заряда в полупроводниках
Статистика Ферми и уровень Ферми
Статистика Ферми-Дирака
Распределение
вероятности заполнения
f(E) состояния с энергией E
По определению, уровень Ферми есть
химический потенциал частиц в системе. Он описывает количество энергии, которое должно быть потрачено для того, чтобы добавить одну частицу (расположенную изначально далеко) в систему. При термодинамическом равновесии этот химический потенциал одинаков для всех частиц и идентичен по всей структуре.
Слайд 52Статистика Ферми и уровень Ферми
Для вырожденной системы
Концентрация электронов и уровень
Ферми
для невырожденной системы
Статистика Ферми—Дирака для дырок
Слайд 53Способ расчета концентрации носителей в полупроводниковых зонах
В больцмановском режиме концентрация
дырок в валентной зоне связана с уровнем Ферми соотношением:
где Nv
— эффективная плотность состояний в валентной зоне
Слайд 54При концентрации носителей, превышающей эффективную плотность состояний Nc, полупроводник становится
вырожденным, при этом его положение, как и в металлах, изменяется
как n2/3.Поведение уровня Ферми в функции концентрации свободных носителей n.
Закон действующих масс для полупроводников
Собственная концентрация носителей
Слайд 55Пятивалентная примесь такая, как фосфор, введенная механизмом замещения в решетку
кремния, гибридизируется с тетрагонально расположенными соседними атомами и высвобождает избыточный
электрон в решетку как свободную частицу (а). Это состояние приводит к возникновению донорного состояния, расположенного в нескольких десятках мэВ ниже зоны проводимости (б).
Слайд 56Полупроводники с собственной (а) и примесной проводимостью: донорной – n-типа
(б) и
акцепторной – p-типа (в)
Примесные атомы – доноры: отдают
электроны в зону проводимости.Доноры в GaAs: Si, Ge, Te,…
Примесные атомы – акцепторы: захватывают электроны из валентной зоны и создают там дырки .
Акцепторы в GaAs: Cd, Mg, Be, Pb,..
а – собственный полупроводник, б – полупроводник n-типа, в – полупроводник p-типа.
F – уровень Ферми
Слайд 57В случае большой концентрации примесей (1018-1019 См-3 и более) примесные
уровни
расщепляются и образуют примесную зону. Обычно она сливается с ближайшей
разрешеннойзоной полупроводника. Получившаяся зона не полностью заполнена электронами, что
соответствует структуре металла.
Сильно легированные полупроводники называются вырожденными или
полуметаллами. Донорные и акцепторные уровни называют мелкими, имея в виду их малую удаленность от соответствующих разрешенных зон: Δ = (0,01…0,05) эВ и
Δ = − (0,01…0,05) эВ. Существуют примеси, характеризующиеся глубокими уровнями, расположенными вблизи середины запрещенной зоны. Например, в кремнии
глубокие уровни характерны для атомов золота (Au), меди (Cu), никеля (Ni).
Слайд 58Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это переходный слой между двумя
областями полупроводника
с разной электропроводностью, в котором существует
диффузионное электрическое поле
Слайд 60Полупроводниковый диод
Движение электронов и дырок в области p-n перехода: а
– внешнее электрическое поле отсутствует,
б – внешнее электрическое поле
приложено в прямом направлении, в – внешнее электрическое поле приложено в обратном направлении
Слайд 62Оптические свойства полупроводников
(1) Собственное, или фундаментальное, поглощение света. Оно возможно
при
и происходит в видимой или ближней инфракрасной областях в
зависимости от ширины запрещенной зоны. Перегиб на кривых при указывает на переход от непрямого поглощения к прямому поглощению.
Слайд 64(2) Поглощение на свободных носителях заряда.
Для обозначения этого вида
поглощения света иногда используется термин «друдевское» поглощение. Этот механизм поглощения
связан
с движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Это движение из-за рассеяния носителей заряда приводит к ненулевой действительной части проводимости, которая и ответственна за поглощение.
Поглощение на свободных носителях может быть основным механизмом поглощения света, в частотных областях, где нет межзонного поглощения и сильного поглощения на фононах (в полярных полупроводниках на частотах близких к частоте оптического фонона)
и если концентрация носителей достаточно велика.
Слайд 65(3) Экситонное поглощение, при котором
образуется связанная пара электрон —
дырка.
Известны экситоны Френкеля, или экситоны малого радиуса ;
и экситоны
Ванье-Мотта, или экситоны большого радиуса rex >> a0 .Спектр покоящегося экситона в простейшем случае изотропного и квадратичного закона дисперсии электронов и дырок аналогичен спектру атома водорода:
CuO2
Слайд 67(4) Примесное поглощение
Спектр фото термической ионизации кремния легированного бором,
измеренный
при Т=4.2 К. Концентрация доноров 2*1014 см-3.
Слайд 68(5) Решеточное (фононное) поглощение
В полярных кристаллах под действием электрического поля
электромагнитной волны атомы разных подрешеток двигаются в противоположных направлениях –
возбуждаются оптические колебания. Этот процесс можно рассматривать как рождение фононов за счетпоглощения фотонов.
Резонанс возможен, когда частота и волновой вектор фононов и фотонов совпадают. Это условие может выполняться лишь для оптических фононов. Решетка должна обладать дипольным моментом, чтобы
при раскачивании подрешеток (оптический фонон) возникали колебания дипольного момента и взаимодействие с полем волны. В гомеополярных
кристаллах (Si, Ge) такого поглощения не будет, а в
полярных (GaAs, AlSb,... NaCk, KCl) — будет.
Фононы должны быть поперечными, чтобы вектора поляризации фононов и фотонов были параллельны.
Поглощение происходит на ИК-частотах (ω << Eg) . Длина
волны: 61,1 мкм в NaCl, 32 – InP, 36 – GaAs, 54,6 – InSb/
Слайд 69(6) Внутризонное поглощение наблюдается в веществах, имеющих сложную структуру зон.
(7)
Плазменное поглощение — поглощение света свободными электронами и дырками, возникает
при достаточно больших концентрациях свободных носителей заряда и имеет важную особенность, так называемый плазменный резонанс.
Слайд 70Эффект Бурштейна-Мосса
В сильно легированных полупроводниках уровень Ферми располагается в области
разрешенных значений энергии. В этом случае заселенность электронами зоны проводимости
в полупроводнике n-типа или дырками потока валентной зоны в полупроводнике p-типа приводит к коротковолновому сдвигу края межзонного поглощения света.б
Схема межзонных оптических переходов в полупроводниках n-типа (а) и p-типа (б). В полупроводнике n-типа переходы вблизи края зоны запрещены, поскольку соответствующие состояния в зоне проводимости заполнены электронами.
Слайд 71Эффект Франца-Келдыша
В присутствии электрического поля отсутствует порог поглощения света -
появление поглощения на частотах, меньших ширины запрещённой зоны полупроводника.
Слайд 72Дата рождения: 27 апреля (10 мая) 1903
Место рождения: Тверь, Российская империя
Дата смерти: 22
января 1942 (38 лет)
Место смерти: Ленинград, СССР
Лосев, Олег Владимирович
ИНЖЕКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Слайд 74Принцип работы полупроводникового светодиода
Энергетическая диаграмма инжекционного светодиода. а –
p-n переход без приложенного внешнего напряжения, б - p-n
переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении, d – ширина p-n перехода, l – реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера
Слайд 75Светодиоды
Излучение светодиода: некогерентно, широкий спектр (~ 50 нм), большая расходимость
Слайд 773−4 мкм — нижний n-GaN контактный слой, легированный Si до
уровня 5 · 1017 см−3;
~ 500A — 5-ямная квантово-размерная активная
область InGaN/GaN;~ 200A — блокирующий слой AlGaInN; ˚
~ 0.15−0.2 мкм — верхний слой p-GaN.
Слайд 78Интегральная кривая спектральной чувствительности глаза
Кривые чувствительности различных рецепторов
Слайд 80OLED (Organic Light-Emmitting Diode — органический светодиод) — тонкоплёночные светодиоды, в которых
в качестве излучающего слоя применяются органические соединения
Слайд 81Приёмники оптического излучения на основе полупроводников с p-n переходом (фотодиоды)
Основными параметрами приёмников оптического излучения являются:
Энергетическая (световая) характеристика, которая определяет
зависимость реакции приёмника от интенсивности падающего излучения (ампер-ваттная, вольт-ваттная, люкс-ваттная).Спектральная характеристика чувствительности, которая определяет зависимость реакции фотоприёмника на воздействие излучения с различной длиной волны.
Частотная характеристика, которая определяет зависимость чувствительности фотоприёмника от частоты модуляции и характеризует инерционность приёмника.
Пороговая чувствительность, которая определяет минимальный уровень мощности излучения, который может быть обнаружен на фоне собственных шумов.
Слайд 82Использование фотодиода в фотогальваническом (а) и фотодиодном (б) режимах. R
– сопротивление нагрузки, V – вольтметр, ИП – источник питания
Фотодиодный режим обладает рядом достоинств по сравнению с фотогальваническим:
малой инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части спектра,
широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого
режима – наличие шумового тока, протекающего через нагрузку.
Поэтому,при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприёмника в ряде случаев
фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.
Слайд 83p-i-n фотодиод
Ограничения применения p-n фотодиодов в устройствах оптоинформатики:
1) обеднённая зона
составляет достаточно малую часть всего объёма фотодиода (толщина – единицы
микрон) и поэтому большая часть поглощённых фотонов не приводит к генерации тока во внешней цепи,2) наличие медленного отклика делает его непригодным для средне- и высокоскоростных применений (десятки МГц).
В p-i-n структуре между p- и n- слоями, образованными полупроводниками с примесной проводимостью, помещен слой беспримесного полупроводника – полупроводника i-типа (с собственной проводимостью) толщиной в несколько десятков или сотен микрометров, что: 1) значительно увеличивает рабочий объём фотодиода, а значит и его чувствительность, 2) основное преимущество p-i-n фотодиода заключается в высоких скоростях переключения (единицы ГГц)
Слайд 84p-i-n фотодиод – скоростной фотоприёмник
Быстрый фотоотклик p-i-n фотодиодов объясняется меньшей
по сравнению с p-n фотодиодами электроёмкостью. Фотодиод можно представить как
плоский конденсатор, ёмкость которого прямопропорциональна электрическому заряду одной из его обкладок (Q) и обратнопропорциональна расстоянию между обкладками (С ~ Q/L). А так как длина i-слоя у p-i-n фотодиодов в 10-100 раз больше, чем длина обеднённого слоя у p-n фотодиодов то и их электроёмкость значительно меньше ёмкости p-n фотодиодов. Время заряда/разряда такого конденсатора прямопропорционально электроёмкости (t ~ C), что и обеспечивает возможность детектирования более высокочастотного сигнала с помощьюp-i-n фотодиодов
Слайд 85Принципиальная конструкция фотодиода на основе p-n перехода (а) и p-i-n
фотодиода (б)
Чаще всего p-i-n фотодиоды на длину волны 0,85
мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2 - 1,6 мкм) - из германия (Ge) или InGaAs
Слайд 86Зависимость чувствительности отклика от длины волны для
фотодиодов типа InGaAs
Зависимость чувствительности
отклика от длины волны для
кремниевых фотодиодов
Обобщенная схема PIN-диодного
детектора
на
основе InGaAs
Слайд 87Литература
О.Звелто. Принципы лазеров.-М.:Мир, 1984
Физика полупроводниковых лазеров.- М.:Мир, 1989
Laser Focus World,
2000, Vol. 36, No. 4, 5, 6, 7
Semiconductor
Lasers 2000. www.optoelectronics-world.com 
Слайд 88Контрольные вопросы.
1. Полупроводниковые лазеры – области применения.
2. Основные свойства полупроводников
3.
Образование запрещенной зоны
4. Зонная структура полупроводников, уровень Ферми.
5. Инжекция в
p-n переходе, светодиод.6. Устройство и работа простейшего полупроводникового лазера.
7. Полупроводниковые лазеры с гетероструктурами.
8. Волновые свойства гетероструктуры, удержание носителей.
9. Оптическая схема считывания информации в CD-ROM.
10. Зависимость энергии запрещенной зоны от постоянной кристаллической решетки двойных соединений и их растворов.
11. Понятие о квантово-размерной структуре.
12. Преимущества лазеров на многослойных КРС.
13. Методы генерации сверхкоротких импульсов.
14. Ячейка Поккельса, принцип работы.
15. Генерация сверкоротких импульсов путем возбуждения короткими импульсами тока.
16. Синхронизация мод в резонаторе как метод получения цуга сверкоротких импульсов.
17. Частота синхронизации мод в современных полупроводниковых лазерах.
