Поглощение и усиление света в полупроводниках

Собственный полупроводник, находящийся в тепловом равновесии, прозрачен для света с частотой ν < ΔEg/h, так как энергии фотона не хватает для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (Е_фот = hν < ΔEg). Поэтому фотоны оптического излучения не поглощаются электронами валентной зоны.

Если же частота света ν > ΔEg/h, то энергия фотона больше ширины запрещенной зоны (hν > ΔEg). Поэтому электроны валентной зоны поглощают фотоны оптического излучения и переходят в зону проводимости. Эти же фотоны могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что приводит к усилению света.

Так как вероятность процесса поглощения фотона равна вероятности индуцированной рекомбинации и в собственном полупроводнике число электронов в валентной зоне много больше числа электронов проводимости (рис.В.3), то процессы поглощения фотонов будут преобладать. Следовательно, оптическое излучение с частотой ν > ΔEg/h будет сильно поглощаться в чистом полупроводнике, находящемся в тепловом равновесии.

Рассмотрим теперь полупроводник, одновременно вырожденный по электронам и дыркам (рис.4.4). В таком полупроводнике расстояние между квазиуровниями Ферми больше ширины запрещенной зоны, т.е.

ΔEg.

Естественно, что при этом электроны из зоны проводимости могут прейти в валентную зону только на свободные уровни (дырки), лежащие в интервале от Ev до , так как остальные уровни заняты электронами. Электроны из валентной зоны по той же причине практически могут переходить в зону проводимости только на уровни, лежащие выше . Таким образом, если пропустить через вырожденный полупроводник свет, энергия фотонов которого лежит в интервале от до hν_min = Ec – Ev = ΔEg,.то такие фотоны не могут вызвать переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости и, следовательно, не могут поглотиться в полупроводнике. В то же время эти фотоны могут вызвать индуцированную рекомбинацию. При этом появятся вторичные фотоны, точно совпадающие по своим свойствам с первичными. Такой полупроводник может усиливать свет в полосе частот

Δν = ν_max – ν_min = . (4.1)

Ширина этой полосы определяется степенью вырождения электронов и дырок, т.е положением квазиуровней Ферми и шириной запрещенной зоны ΔEg.

Итак, условие

ΔEg (4.2)

необходимо для того, чтобы полупроводник мог усиливать оптическое излучение.

Дата добавления: 2015-06-26