Главная
Карта сайта
Контакт
Вход
Заказать
RSS

Зонная структура полупроводников и состояния электронов

В металлах разрешенные зоны заполнены не полностью. В изоляторе зона самых высоких уровней энергии (валентная зона) заполнена полностью и отделена широкой запрещенной зоной от следующей с более высокими энергетическими уровнями зоны (зоны проводимости), которая пуста. Электрон может покинуть свою зону в изоляторе только в том случае, если ему будет сообщена энергия, достаточная для преодоления запрещенной зоны, но такое событие маловероятно.


Энергия, которая необходима электрону для пересечения запрещенной зоны, зависит от температуры. Большинство наших работ выполнено на антимониде индия при температуре 77 К. При этой температуре ширина запрещенной зоны антимонида индия составляет около 0,2 эВ (1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон при ускорении разностью потенциалов 1 В). Большинство других полупроводников имеет гораздо более широкие запрещенные зоны. Нелинейность показателя преломления возрастает обратно пропорционально квадрату ширины запрещенной зоны. Благодаря малой ширине запрещенной зоны нелинейность антимонида индия от 100 до 1000 раз превосходит нелинейность арсенида галлия — другого полупроводника, который использовался в бистабильных оптических устройствах. И хотя желательно, чтобы запрещенная зона была неширокой, при слишком узкой зоне оптический переключатель работать не может.


Один из способов, которым электрону можно сообщить энергию, необходимую для перехода в зону проводимости, заключается в облучении вещества, Чтобы рассмотреть этот процесс, удобно использовать описание света как потока частиц. Частица, или квант, света называется фотоном. Энергия фотона обратно пропорционапька длине волны. Поглощенный кристаллом фотон передает свою энергию электрону. Если фотон имеет достаточную энергию, электрон переходит в зону проводимости. Длина волны, эквивалентная энергии 0,2 эВ, равна приблизительно 5 мкм, то есть она лежит в инфракрасной части спектра и может генерироваться лазером на окиси углерода.


Если облучить антимонид индия лазером, настроенным на указанную длину волны, большое количество электронов перейдет в зону проводимости, Как только электроны достигнут нижних уровней зоны проводимости, тепловая энергия кристаллической решетки рассеет их по близлежащим энергетическим уровням. В результате возникает случайное распределение электронов по уровням нижней части зоны проводимости.


Именно переход электронов и последующее их рассеяние обусловливают изменение показателя преломления антимонида индия. В квантово-механическом понимании взаимодействия света с веществом преломление и поглощение тесно связаны между собой. В самом деле, одно всегда влечет за собой другое: если пучок излучения поглощается, он также преломляется, и наоборот, хотя оба эти явления могут проявляться в разной степени для различных длин волн одного пучка. Создавая условия, препятствующие поглощению, мы в то же время препятствуем и преломлению и тем самым изменяем показатель преломления. Как воспрепятствовать поглощению? Существует предел количества электронов, которые можно перевести на нижние уровни зоны проводимости. Если этот предел будет достигнут, ни один дополнительный фотон с энергией, достаточной для такого перехода, не будет поглощен; в этом случае говорят, что поглощение фотонов достигло насыщения. Насыщение поглощения препятствует сопутствующему преломлению, и показатель преломления изменяется. Очень скоро после выключения лазерного пучка перешедшие электроны возвращаются в валентную зону и рекомбинируют с дырками. Поглощение снова становится возможным, и показатель преломления возвращается к своему исходному значению.

РЕКЛАМА: Купить кровати двуспальные в Москве Арнико мебель Скидки от производителя до 20%!