Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 140
Скачиваний: 3
/
\
OPTICAL
PROCESSES
IN SEMICONDUCTORS
JACQUES I. PANKOVE ,
David S arnoff Research C enter
RCA Laboratories
»
Prentice-H all, Inc. Englewood C liffs, New Jersey, 1971
Ж. ПАНКОВ
ОПТИЧЕСКИЕ ь
ПРОЦЕССЫ
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Перевод с английского
Под редакцией
Ж . И. АЛФЕРОВА и В. С. ВАВИЛОВА
Издательство «Мир» М осква 1973
УДК 537.311.33-535
чи'сляьно^ 0ШкЛѢ
Цъ-ьШь
Монография пзвестного американского специалиста Ж. Пан кова посвящена физическим процессам взаимодействия света с полупроводниками, а также практическому использоваишо этих процессов в полупроводниковых лазерах, люминесцент ных диодах, приемниках видимого п пнфракраспого излучения.
Книга снабжена большим количеством (около 400) иллю страций — схем, графиков, чертежей, что делает ее полезной для инжеперных расчетов, а также упражнениями и задачами, способствующими усвоению и закреплению материала.
Книга принесет несомненную пользу самым широким кру гам читателей: фпзпкам-теоретпкам и экспериментаторам, инже нерам, специализирующимся в области радиоэлектроники, полу проводниковой, лазерной н инфракрасной техники, студентам старших курсов университетов и технических вузов.
Редакция литературы по физике
ТТ |
3312-053 |
© Перевод иа русский язык, «Мир», 1973 |
|
041(01)-73 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Книга известного американского физика Ж. Панкова, в течение многих лет работающего в Исследовательском институте фирмы RCA, основана на курсе лекций, прочитанных им в Калифорний ском университете, и посвящена детальному анализу многообраз
ных оптических процессов в полупроводниках и |
структурах, |
|
включающих полупроводники. |
|
|
Как известно, взаимодействие |
электромагнитного |
излучения |
с полупроводниками . составляет |
одну из основных проблем |
|
физики полупроводников. Особый интерес в этой широкой обла сти исследований занимают физические процессы, связанные в пер вую очередь с существенно неравновесным состоянием электронной «подсистемы» кристалла. Такие неравновесные процессы могут быть возбуждены электромагнитным излучением, и в этом случае объектом исследования обычно являются результирующие изме нения свойств полупроводника, т. е. фотоэффекты в широком смыс ле этого понятия. В других случаях возбужденная тем или иным способом, например за счет энергии приложенного извне электри ческого поля, электронная подсистема кристалла полупроводника сама становится эффективным источником электромагнитного
излучения. В этом |
случае имеет место электролюминесценция; |
|
в |
определенных условиях излучение может быть когерентным, |
|
и |
полупроводник |
становится оптическим квантовым генерато |
ром —• лазером. |
|
|
|
По физике и технике полупроводников в Советском Союзе изда |
|
ется довольно много книг, среди которых значительная часть посвя- *щена оптическим явлениям.в полупроводниках. Среди последних можно отметить монографию С. М. Рывкина «Фотоэлектрические явления в полупроводииках» х), а также выпущенные издатель ством «Наука» сборники по отдельным вопросам физики и практи ческих применений оптических процессов в полупроводниках 123). Книга Ж. Панкова отличается прежде всего систематическим и до
1) С. М. Рывкии, Фотоэлектрические явления в полупроводниках,
Фнзматгиз, 1963.
3) См., например, сб. «Излучательная рекомбинация в полупроводни ках», изд-во «Наука», 1972.
6 Предисловие редакторов перевода
ступным изложением всей этой проблемы в целом в рамках одной книги.
Оптические явлеппя в полупроводниках принадлежат к тем областям исследований, которые особенно бурно развиваются в на стоящее время. Естественно поэтому, что в книге оказались нерас смотренными оптические процессы в полупроводниковых структу рах с гетеропереходами и приборы на их основе, а также широкий класс явлений при так называемой оптической ориентации спинов и некоторые другие исследования, развитые в самое последнее
время. |
|
|
Автор |
преподносит |
материал в простой и наглядной форме. |
Б связи с |
этпм в ряде |
случаев ему приходится жертвовать стро |
гостью изложения, что, как правило, оговорено в тексте книги. Чи татели, желающие более углубленно познакомиться с отдельными вопросами, легко найдут необходимые сведения в цитируемых авто ром работах; список их частично пополнен при переводе книги работами советских авторов.
Книга Ж. Панкова представляет несомненный интерес для спе циалистов, работающих в области радиоэлектроники, полупровод никовой, лазерной и инфракрасной техники, а также для студентов старших курсов университетов и технических вузов.
Перевод книги выполнен Д. 3. Гарбузовым (гл. 6—8), А. А. Гипппусом (гл. 1—5, 13—16, 18 и ^приложения) и Е. Л. Портным (гл. 9—12, 17).
Ж. 11. Алферов В. С. Вавилов
- Ч
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
В основу этой книги легли лекции, прочитанные автором в 1968—1969 гг. в Калифорнийском университете (Беркли). Книга появилась как результат ясного понимания ее необходимости, так как для хорошего ознакомления со всеми явлениями, связан ными с взаимодействием света с полупроводниками, приходилось обращаться к большому количеству разрозненных источников и искать многие журналы, однако часто оказывалось, что найден ный там материал предназначается лишь для узких специалистов. В ходе многолетних экспериментальных исследований я изучал литературу, поэтому мне показалось желательным представить почерпнутые сведения в последовательной форме, добавив новые концепции, изложенные в текущей литературе или на последних конференциях. В процессе написания книги появились новые аспекты, которые освещаются здесь впервые.
В данной книге рассматриваются взаимодействия фотонов, электронов и атомов в кристаллах полупроводников. Эти взаимо действия лежат в основе явлений поглощения, преобразования, модуляции и генерации света. Принято считать, исходя из фено менологической сложности явления, что наиболее запутанные про цессы встречаются в биологии, тогда как физика твердого тела кажется относительно простой. В самом деле, что может быть проще совершенного кристалла при низкой температуре, когда все атомы неподвижны? Однако оказывается, что существуют эксптоны, экситонные комплексы, поляритоны... Кроме того, неизбежные несо вершенства кристалла и примеси дают новые состояния. В резуль тате возрастает число возможных типов взаимодействия между электронами, находящимися на различных уровнях, фотонами и фононами. Внешние воздействия, такие, как давление, темпера тура, электрические и магнитные поля, вносят дополнительные возмущения, усложняя картину явлений.
Спектроскопические данные дают многообразную информацию о физических процессах с участием излучения. Положение пика излучения или поглощения позволяет определить энергетический промежуток, разделяющий уровни, между которыми происходит переход. Наименьшая энергия фотона в некой спектральной струк туре соответствует порогу для переходов определенного класса-
8 Из предисловия автора
тогда как форма спектра зависит от вероятностей перехода и от рас пределения состояний по энергиям. Поглощение связано с перехо дами во все незанятые состояния, поэтому оно охватывает широкую область спектра. Излучение же происходит в неравновесных усло виях, и поскольку носители сосредоточиваются в паинизших воз можных состояниях, например у края зоны, то излучение занимает узкий спектральный интервал. В том случае, если имеются ловуш ки, наблюдаются медленно протекающие процессы, зависящие от температуры. Безызлучательная рекомбинация также часто зависит от температуры. Свет может создавать электроны с энер гией, достаточной для преодоления барьера и выхода в вакуум. Электронную эмиссию можно использовать для исследования сос тояний, далеко отстоящих от краев зон. Модуляция отражения представляет собой еще один метод изучения распределения состо яний и идентификации критических точек зонной структуры. Свет может стимулировать адсорбцию или десорбцию атомов на по верхности полупроводппков или вызывать другие фотохимические реакции. С развитием лазерной техники стало возможным исследо вать рассеяние интенсивного монохроматического излучения в ре зультате взаимодействия его с впутреииимп осцилляторами; при этом можно работать в более удобной спектральной области и по лучать дополнительные данные о правилах отбора для этих про цессов. Практические применения оптических процессов в полу проводниках слишком многочисленны, чтобы можно было рассмот реть их здесь детально, однако основные принципы нашли отраже ние в данной книге. Электролюминесценция и стимулированное излучение света лежат в основе полупроводниковых источников излучения. Поглощение света используется в различных фотоде текторах, фотосопротивленпях, фотовольтаических приборах и фо тоэмиттерах.
Моя цель состоит в том, чтобы дать читателю представление об уже известных явлениях, обращаясь к его физической интуиции. В книге имеется много ссылок на работы, в которых читатель, заинтересованный некоторыми эффектами, может найти более глубокое и строгое изложение предмета. Задачи (приведенные в конце глав) помогут изучающему прочно усвоить материал, активно размышляя над основными концепциями. Хотя книга предназначена в основном для студентов старших курсов и аспи рантов, опа может быть полезна также и для исследователей, интересующихся оптическими явлениями в полупроводниках.
Принстон, Ныо-Джерсн |
Ж. Панков |
Г Л А В А
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
В этой главе мы кратко рассмотрим, каким образом объедине ние одинаковых атомов ведет к образованию зон разрешенных состояний, разделенных энергетическим зазором (запрещенной зоной). Затем мы покажем, что и в запрещенной зоне могут нахо диться различные разрешенные состояния: одни — локализован ные на примесях, другие — относящиеся ко всему кристаллу (экситоны) х). Мы опишем также, как в результате взаимодействия различных частиц образуются комплексы.
Указанные уровни влияют на оптические свойства полупровод ников, поскольку оптические эффекты связаны с переходами меж ду различными состояниями, поэтому имеет смысл вначале рас смотреть эти состояния и выяснить, как они возникают.
§ 1. ЗОННАЯ СТРУКТУРА
1. Образование зон пз атомных уровней
Для понимания природы полупроводников следует рассмот реть, что происходит, когда из одинаковых атомов образуется твер дое тело, например кристалл. Если два одинаковых атома сбли жаются, то волновые функции их электронов начинают перекры ваться. В силу принципа Паули энергии всех электронов с про тивоположно направленными спинами принимают значения, слег ка отличающиеся от их значений в изолированном атоме. Таким образом, если мы имеем N взаимодействующих атомов, то вместо дискретного уровня для каждого изолированного атома образуется зона из 2N различных уровней, которые могут быть заняты 2N электронами, находившимися в изолированных атомах на одних и тех же уровнях.
Распределение состояний по энергиям сильно зависит от меж атомного расстояния. На фиг. 1.1 показано такое распределение-
х) Энергетический спектр эксптона получается в результате решения многоэлектроииой задачи, поэтому соответствующие состояния нельзя изоб разить на схеме, где представлены зоны разрешенных и запрещенных энергий для одного электрона.— Прим, перев.
10 Глава 1. Энергетические состояния в полупроводниках
для случая атомов углерода. Когда образуется кристалл алмаза, то энергия иапиизшего состояния уменьшается. Средняя величина изменения потенциальной энергии называется энергией связи кри сталла. Отметим, что некоторые из 2р-состояпий с более высокой энергией сливаются с зоной 25-состояиий. В результате такого смешивания состояний число состояний в нижней зоне равняется числз*- находящихся в ней электронов. Эта зона называется валент ной и характеризуется тем, что она полностью занята электронами.
'Ф и г. 1.1. Зависимость энергии электронов (зон разрешенных состояний) от межатомного расстояния в алмазе [1].
Электроны заполненной зоны не могут участвовать в переносе тока. Верхняя зона состояний, в которой нет электронов, называет ся зоной проводимости. Электрон, попавший в эту зону, может дрейфовать под действием электрического поля.
Поскольку в запрещенной зоне нет разрешенных состояний, в кристалле отсутствуют электроны с энергией в пределах этого промежутка.
Твердое тело является металлом, полупроводником или изо лятором в зависимости от ширины запрещенной зоны и количества электронов. В полупроводнике ширина запрещенной зоны обычно не превышает 3 эВ, а концентрация электронов в верхней зоне
