Курс лекций Квантовая и оптическая электроника для направления подготовки

---

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования 
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
Курс лекций 
Квантовая и оптическая электроника 
для направления подготовки
22.03.01 Материаловедение и технологии материалов 
Ставрополь, 201
7 

---

Собственное или фундаментальное поглощение.
Это поглощение, которое имеет место при энергии фотонов hω ≥

g, где

g –
ширина запрещенной зоны. В результате кванта поглощения, квант света уничтожается, а
ее энергия преобразуется в электроно дырочную пару, т. е. энергия расходуется на разрыв
собственных валентных связей атомного вещества. Такие материалы будут не
прозрачные. Кванты света с энергией hω <

g, не способны разорвать валентные связи и
вызвать межзонные переходы. Следовательно, такие кванты не взаимодействуют с
веществом и для таких квантов, материал прозрачный. Переходы могут быть прямыми и
не прямыми. Если импульсы электронной клетки одинаковые, то такой переход,
называется прямым. Если импульс дырок не одинаковый – не прямым.
Очевидно, что для выполнения закона сохранения импульса, необходимо участие
третьей частицы, такой частицей является анод.
В случаи прямых переходов положение края, собственного поглощения,
определяется условием hω =

g. А в случаи не прямых переходов, положение края
определяется hω =

g ± h

, где
знак ± - в зависимости от того что происходит, поглощение или излучение фотона;

- частота характеристического анода.
Ширина полосы собственного поглощения, определяется суммарной шириной зоны
проводимости и валентной зоны, и составляет несколько эВ.
При еще более высоких энергиях Фотона, наблюдаются переходы из ниже лежащих
зон, в зону проводимости. Ультрафиолет поглощается любыми материалами.
Примесное поглощение.
Она происходит с участием примесных состояний. Это поглощение имеет место в
области энергии hν = Е
a
, E
d
; hν =

g – E
a
; hν =

g – E
d
, где Е
a
и E
d
– энергия ионизации
1.1 Оптическое поглощение в полупроводниках.

---

донора и акцептора. В результате таких переходов квант света, с энергией ∆hν > Е
a
, E
d
,
уничтожается, а ее энергия расходуется на ионизацию примеси, т. е. на отрыв
избыточного электрона от атома донора или присоединение недостающего электрона к
атомам акцептора (отрыв дырки).
В результате появляется свободный электрон в зоне проводимости или дырка в
валентной зоне. Такие процессы представляют собой фотоионизацию примесных
соединений. Примесное поглощение происходит в длинноволновой области спектра,
поэтому для наблюдения такого поглощения требуется глубокое охлаждение, т. к. в
области комнатных температур значительные атомные примеси ионизированы
термически.
Переходы в области энергии
hν =

g – E
a
; hν =

g – E
d
, приводят к
фотонейтролизации исходно неионизированных атомов примеси.
Экситонное поглощение.
Наблюдается, когда образовавшиеся при межзонных переходах пары электрон-
дырка переходят в устойчивое состояние аналогично атому водорода. Такое состояние
представляет собой экситон. В экситоне происходит движение электрона и дырки вокруг
общего центра масс и одновременно возможно поступательное перемещение такой
связанной пары. Переходы в экситонное состояние формируют серию водородоподобных
дискретных пиков.
Межпримесное поглощение.

---

Межпримесное поглощение имеет место в скомпенсированных полупроводниках
(полупроводники, у которых концентрация доноров равна концентрации акцепторов) и
связано с оптическими переходами между парой акцепторов и доноров.
Решеточное поглощение.
Проявляется, когда частота излучения близка к частоте колебания атомов
кристаллической решетки (
;
10
3
с
м
с
зв

;
10
10
м
l


с
c
l
T
зв
13
10



).
.
10
13
Гц
f

Проявляется в ИК-области спектра.
Поглощение на свободных носителях заряда.
Оно охватывает широкий диапазон частот, начиная от нуля.
Общий спектр поглощения светом твердого тела:

---

1.2 Фотоэлектрические эффекты в p-n переходе. Возникновение фото-ЭДС, фототока.
Фотодиод – это p-n-переход с тонкой n-областью, на которую падает излучение.
Если свет с энергией кванта, равный или превышающий ширину запрещенной
зоны, падает на n-слой, то в объединенной области возникают электронно-дырочные
пары.
Существующее в этой области внутреннее электрическое поле заставляет эти
электроны двигаться по направлению к n-области, а дырки – к p-области. И таким образом
возникает фото ЭДС.
Если имеется цепь нагрузки, то в ней под действием света возникает фототок
св
I ,
причем направление этого тока имеет обратное значение. При отсутствии света, фотодиод
имеет ВАХ идеального диода.
)
1
(exp
0


kT
U
I
I

опт
Н
R
I
U
tg




Если подать освещение, то ВАХ запишется как

---

св
kT
U
I
I
I



)
1
(exp
0

При освещении существуют режимы холостого хода и короткого замыкания.
Режим холостого хода:
cd
kT
U
I
I
хх



)
1
(exp
0
0

)
1
ln(
)
1
ln(
0
0




I
I
kT
U
I
I
kT
U
св
хх
св
хх


Режим короткого замыкания:
I
cв
кз
I
I


При прямом включении светоток при освещении уменьшается.
III
При освещении фототок увеличивается и слабо зависит от питающего напряжения.
Обратное включение обычно используется для измерения освещенности.
II
В режиме короткого замыкания мощность во внешней цепи равна нулю.

---

опт
Rн
tg


Солнечным элементом называется фотодиод большой площади, способный
преобразовывать энергию солнечного излучения в энергию электрического поля.
АМО – спектр излучения в космосе.
I=135мВт/см²
На поверхности земли спектр излучения имеет потери. Ультрафиолет поглощает
озон, а ИК – пары воды.
АМ1=92,5мВт/см² - на экваторе, когда солнце в зените.
I=100мВт/см² - при стандартных условиях.