Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

300 Глава 12. Процессы с участием когерентного излучения

до тех пор, пока он в конце концов не насыщается; тогда значи­ тельная часть внешнего напряжения оказывается приложенной к домену, поле же за пределами домена снижается до критической величины. Критическое поле — это такое поле, при котором элек­ трон движется со скоростью звука.

Первоначальное поле до образования домена превышает кри­ тическое поле, носители текут со скоростью, большей vs, и ток, который еще подчиняется

во внешней цепи меньше первоначальной величины, так как но­ сители теперь движутся с насыщенной скоростью. Соответствую­ щая характеристика I (V) показана на фиг. 12.21, а временные зависимости тока и напряжения — на фиг. 12.22.

Ф и г . 1 2 .2 1 . Х а р а к т е р и с т и к и п о л у п р о в о д н и к а / ( 7 ) , и л л ю с т ­

ри р у ю щ и е э л е к т р о а к у с т и ч е ­

ск и й эф ф ект.

При импульсном возбуждении с длительностью импульсов, меньшей времени формирования домена, ха­ рактеристика омическая. При дли­ тельном возбуждении получают характеристику стационарного ре­ жима, ток насыщается при Is =

— qnvs (п — концентрация носите­ лей). Характеристика при промежу­ точной длительности возбуждения изображена сплошной линией.

Когда домен достигает конца образца, поле внутри кристалла резко возрастает и ток подскакивает до прежней омической вели­ чины. Как только домен покидает кристалл, вблизи катода начи­ нает образовываться новый домен и ток снова падает до значения насыщения. При достаточно большом времени возбуждения (t >- > l/vs, I — длина образца) может быть получено несколько таких циклов (фиг. 12.22). Вследствие конечного сопротивления цепи напряжение на образце также не остается постоянным: оно ра­ стет при уменьшении тока через образец; следовательно, форма

импульсов напряжения является зеркальным отображением фор­ мы токового сигнала.

Необходимо подчеркнуть, что, хотя энергетический обмен между электронами и фононами имеет место во всех полупровод­ никах, электроакустический домен может возникать только в пье-

t I t

L

Домен формируется

Домен покидает ' образец

Формируется новый, домен

Второй домен покидает образец

зоэлектрических полупроводниках. Поэтому возможность возник­ новения электроакустического домена зависит от кристаллографи­ ческой ориентации, так же как в случае пьезоэлектрического эф­ фекта (например, в GaAs этот эффект максимален вдоль оси [110]).

2. Пропускание света электроакустическим доменом

Электроакустический домен можно непосредственно наблюдать при пропускании фотонов с энергией, меньшей ширины запрещен­ ной зоны [43]. Использование светового зонда позволяет просле­ дить развитие домена: рост амплитуды его поля и одновременное уменьшение его ширины при прохождении вдоль образца, а так­ же насыщение этих величин (фиг. 12.23). В домене край погло­ щения, по-видимому, смещается в область меньших энергий. Сле­ довательно, излучение с энергией фотонов, несколько меньшей

302 Глава 12. Процессы с участием когерентного получения

ширины запрещенной зоны, для которого большая часть образца прозрачна, поглощается в домене. Увеличение поглощения может быть обусловлено несколькими механизмами: ростом числа пере­ ходов с участием фононов; локальным тепловым сужением ширины запрещенной зоны, которая обусловлена большой плотностью фононов, соответствующей локальным горячим пятнам; пьезоопти­ ческим эффектом и эффектом Келдыша — Франца, связанными с сильным электрическим полем в домене.

Обусловленное деформацией двойное лучепреломление изме­ няет поляризацию проходящего через полупроводник света. Так,

Расстояние от центра домена, мм

Ф н г . 1 2 .2 3 . И з м е н е н и е ф орм ы э л е к т р о а к у с т и ч е с к о го д о м е н а , у с т а н о в л е н ­ н о е и а о сн о в е м о д у л я ц и и о п т и ч е с к о го п р о п у с к а н и я АТ/Т0 [4 4 ] .

Времена, при которых получены приведенные пространственные распределения, сопо­ ставляются с временнбй зависимостью тока I (() на вставке. Центр домена смещается со скоростью звука. Для удобства сравнения центры кривых, характеризующих форму домена, смещены в одну точку.

движение электроакустического домена в CclS было заснято на пленку при пропускании через образец видимого излучения иижекционного лазера из GaAs0i(!P 0;4 [45]. Шесть кадров этой плен­ ки показаны па фиг. 12.24.

В принципе могут распространяться два типа фононов: продоль­ ные и поперечные моды (деформация сжатия и сдвига). Если бы эти две моды были возбуждены в образце и распространялись бы в свободной от поля среде, то они распространялись бы с различ­ ными скоростями, причем продольная волна имела бы большую

304 Глава 12. Процессы с участием когерентного излучения

щийся диполь (здесь дырки возникают благодаря ионизации неосновных носителей электрическим полем) [48^50]; когда электрическое поле исчезает у расширяющегося конца образца, электронные и дырочные облака перекрываются и происходит излучательная рекомбинация.

Если на полупроводниковом бруске создан' ряд р — 71-пере­ ходов с плавающим электрическим потенциалом, то можно вы­ звать поочередно излучение из каждого р — 7г-перехода при про­ хождении мимо него домена [51—53].

Плавающий р — тг-переход представляет собой структуру, подобную изображенной на фиг. 12.26, где средний ток через

р — 7г-переход равен нулю. При наличии такого распределения потенциала, когда эквипотенциальные поверхности пересекают р — п-переход, часть перехода смещается в обратном направле­ нии, а оставшаяся часть — в прямом. Отношение площадей ча­ стей перехода, смещенных в прямом и обратном направлениях, определяется тем условием, что прямой ток должен быть равен обратному. Так как усредненная плотность обратного тока много меньше усредненной плотности прямого тока, площадь области, смещенной в обратном направлении, много больше площади, сме­ щенной в пропускном направлении. Смещенная в пропускном на­ правлении часть р — тг-перехода может излучать благодаря иижекционной люминесценции, тогда как часть, смещенная в об-

300 Глава 12. Процессы с участием когерентного излучения

В о з м о ж н о , ч т о п р и н ц и п п о л у ч е н и я с п о м о щ ь ю э л е к т р о а к у с т и ­ ч е с к о г о д о м е н а с м е щ е н и я о б л а с т и и п ж е к ц и о н и о й л ю м и н е с ц е н ц и и в д о л ь р я д а р — 7 г - п е р е х о д о в м о ж е т с о в р е м е н е м п р и в е с т и к с о з д а ­ н и ю т в е р д о т е л ь н о г о р а з в е р т ы в а ю щ е г о у с т р о й с т в а с б е г у щ и м л у ч о м .

4.Исследование брпллюэновского рассеяния на электроакустических доменах

Коль скоро установлено, что при электроакустическом эффекте происходит превращение электрической энергии в энергию акустических колебаний, то появляется желание узцать спектр фо-

-в

Vсыещ

в

Ф и г . 1 2 .2 7 . а — о р и е н т а ц и я к р и с т а л л а и с в е то в о го п у ч к а в э к с п е р и м е н ­ т а х п о б р и л л ю э н о в с к о ы у р а с с е я н и ю ; б — с п е к тр ы б р и л л ю э и о в с к о го р а с ­ с е я н и я ; в — д и а гр а м м а в о л н о в ы х в е к т о р о в . [ Ф и г у р а л ю б е зн о п р е д о с та в л е ­

н а С м и т о м ( R . W . S m i t h ) и М у р о м ( A . R . M o o r e ) .]

Один порядок на выходе интерферометра Фабри — Перо делился на 39 каналов пересчетного устройства и осуществлялось синхронное сканирование. Сплошная кривая соответствует выключенному электрическому полю (рассеяние на тепловых фононах).

Пунктиром изображен спектр при включенном поле.