Microsoft Word doc

Вопросы
 
для
 
самоконтроля
 
1. 
Что
такое
нелинейная
оптика
? 
Перечислите
оптические
эффекты
, 
вызванные
оптической
нелинейностью
. 
2. 
Перечислите
типы
поляризуемости
среды
. 
Какими
ме
-
ханизмами
они
вызваны
? 
3. 
Электрооптический
эффект
Керра
. 
Каким
видом
поля
-
ризации
он
вызван
? 
4. 
Физическая
сущность
пьезоэлектрического
эффекта
и
элек
-
трооптического
эффекта
Поккельса
. 
5. 
Физическое
содержание
эффекта
вынужденного
рассея
-
ния
Мандельштама
–
Бриллюэна
. 
6. 
Объясните
эффект
самофокусировки
света
. 
7. 
Объясните
нелинейные
эффекты
фазовой
самомодуля
-
ции
, 
фазовой
кросс
-
модуляции
, 
вынужденного
комбинационно
-
го
рассеяния
и
вынужденного
рассеяния
Мандельштама
Брил
-
люэна
в
волоконных
световодах
. 
8. 
Объясните
принцип
возникновения
оптических
потерь
при
аномальной
дисперсии
в
оптическом
волокне
. 
9. 
Что
такое
солитон
, 
в
чем
преимущества
солитонных
линий
передачи
информации
? 

---

138 
ЧАСТЬ
 3. 
ФИЗИЧЕСКИЕ
 
И
 
НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
 
ОСНОВЫ
 
ФОТОНИКИ
 
8.
 
П
ОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
 
КВАНТОВЫЕ
 
СТРУКТУРЫ
 
8.1. 
Роль
 
полупроводниковых
 
структур
в
 
оптоэлектронике
 
В
 
основе
 
действия
 
элементов
 
оптоэлектроники
 
лежат
 
уни
-
версальные
 
схемные
 
свойства
 
полупроводниковых
 
структур
. 
Зна
-
чимость
универсальных
схемных
свойств
полупроводниковых
структур
для
массовой
технологии
интегральных
микросхем
была
осознана
специалистами
далеко
не
сразу
. 
За
изобретение
транзи
-
стора
Нобелевская
премия
была
присуждена
У
. 
Шокли
в
1956 
го
-
ду
, 
т
.
е
. 
через
7 
лет
после
разработки
, 
а
за
открытие
, 
исследование
и
использование
в
микро
- 
и
оптоэлектронике
основополагающих
свойств
полупроводниковых
структур
– 
через
десятки
лет
(
Ж
.
И
. 
Ал
-
феров
, 
Дж
. 
Килби
, 
Г
. 
Кремер
, 
Нобелевская
премия
2000 
г
.). 
Изобретения
универсальных
конструкционных
элементов
появляются
довольно
редко
, 
но
всегда
оказываются
весьма
цен
-
ными
, 
так
как
определяют
длительный
технический
прогресс
в
соответствующей
области
. 
В
механических
устройствах
уни
-
версальными
конструкционными
элементами
оказались
, 
напри
-
мер
, 
стержень
и
колесо
, 
до
сих
пор
позволяющие
создавать
все
более
и
более
совершенные
механические
системы
и
изделия
. 
Природа
также
преуспела
в
создании
необозримого
разнообра
-
зия
живых
систем
, «
используя
» 
универсальный
конструкцион
-
ный
элемент
– 
клетку
. 
Нет
никаких
сомнений
в
том
, 
что
переход
к
нанооптоэлектронике
не
ограничится
разработкой
лишь
лабо
-
раторных
образцов
, 
если
будут
найдены
универсальные
конст
-
рукционные
элементы
, 
комбинацией
которых
удастся
создавать
наноприборы
различного
назначения
, 
используя
либо
группо
-

---

139 
вую
технологию
, 
либо
процессы
самосборки
. 
Для
нанотехноло
-
гии
по
принципу
«
снизу
вверх
» 
такими
универсальными
конст
-
руктивными
элементами
являются
атомы
. 
Полупроводниковая
 
структура
 
представляет
 
собой
 
не
-
кую
 
границу
 
раздела
, 
в
 
которой
 
присутствует
 
полупроводни
-
ковый
 
материал
. 
Сюда
 
относятся
 
граница
 
раздела
 
между
 
об
-
ластями
 
с
 
дырочной
 
и
 
электронной
 
проводимостью
 
внутри
 
полупроводникового
 
кристалла
(
р
–
п
-
переход
), 
граница
 
раздела
 
между
 
слоями
 
полупроводника
 
с
 
различной
 
шириной
 
запрещен
-
ной
 
зоны
 (
гетеропереход
) 
и
 
др
. 
Электронно
-
дырочные
 
переходы
 – 
основа
 
элементной
 
базы
 
интегральных
 
микросхем
, 
а
 
гетеропереходы
 – 
основа
 
оптоэлек
-
тронных
 
приборов
 
различного
 
назначения
. 
Многие
нанострукту
-
ры
созданы
при
разработке
все
более
миниатюрных
структур
рас
-
смотренного
выше
типа
. 
С
уменьшением
размера
структур
были
выявлены
новые
полезные
для
оптоэлектроники
физические
(
в
основном
квантовомеханические
) 
эффекты
. 
Обычно
их
назы
-
вают
размерными
. 
8.2. 
Твердотельные
 
гетероструктуры
. 
Полупроводниковый
 
гетеропереход
 
Интерес
к
твердотельным
гетероструктурам
обусловлен
тем
, 
что
они
являются
основой
практически
всех
современных
приборов
и
устройств
электроники
, 
фотоники
и
оптоинформа
-
тики
. 
Гетероструктуры
широко
применяются
в
повседневной
жизни
, 
достаточно
вспомнить
бытовую
технику
, 
аудио
- 
и
видео
-
системы
, 
мобильные
телефоны
и
компьютеры
, 
а
также
в
боль
-
шинстве
областей
человеческой
деятельности
, 
начиная
от
про
-
изводства
и
кончая
медициной
и
образованием
. 
Уровнем
про
-
никновения
гетероструктур
в
жизнь
человека
определяется
ее
качество
. 
В
связи
с
этим
первостепенное
значение
приобретают
технологии
создания
гетероструктур
различного
типа
, 
их
разви
-
тие
и
совершенствование
. 

---

140 
В
переводе
с
греческого
heteros – 
другой
или
иной
. 
В
рус
-
ском
языке
 
гетеро
соответствует
слову
разный
. 
Гетеропереход
представляет
собой
контакт
между
двумя
различными
веществами
либо
между
веществом
и
вакуумом
. 
Гетероструктура
– 
объект
, 
обладающий
по
крайней
мере
одним
гетеропереходом
. 
В
физике
полупроводников
термин
гетероструктура
обо
-
значает
выращенный
на
подложке
слоистый
пирог
из
различных
полупроводников
, 
в
общем
случае
отличающихся
шириной
за
-
прещённой
зоны
. 
Это
определение
сужает
область
применимо
-
сти
термина
гетероструктура
, 
так
как
относится
только
к
слоистым
полупроводниковым
материалам
. 
Полупроводниковым
гетеропереходом
называют
контакт
двух
полупроводников
различного
вида
и
разного
типа
прово
-
димости
, 
например
p-Ge – n-GaAs. 
Отличие
гетеропереходов
от
обычного
p-n-
перехода
заключается
в
том
, 
что
в
обычных
p-n- 
переходах
используется
один
и
тот
же
вид
полупроводника
, 
на
-
пример
p-Si – n-Si. 
Поскольку
в
гетеропереходах
используются
разные
материалы
, 
необходимо
, 
чтобы
у
этих
материалов
с
вы
-
сокой
точностью
совпадали
два
параметра
: 
температурный
ко
-
эффициент
расширения
и
постоянная
решетки
. 
Электронно
-
дырочным
 
переходом
 
или
 
р
–
п
-
переходом
 
назы
-
вается
граница
раздела
между
полупроводниками
с
электронной
и
дырочной
проводимостью
. 
Положения
энергетических
уровней
Ферми
, 
которые
в
по
-
лупроводниках
заняты
электронами
при
Т
= 0, 
в
электронном
(
n
F
E ) 
и
дырочном
(
p
F
E ) 
кристаллах
не
одинаковы
(
n
p
F
F
E
E
≠
). 
Термодинамическое
равновесие
между
приведенными
в
контакт
кристаллами
наступает
в
результате
выравнивания
энергий
Фер
ми
(
n
p
F
F
E
E
=
). 
Это
выравнивание
сопровождается
перетека
-
нием
«
электронной
жидкости
» 
из
кристалла
, 
где
уровень
Ферми
выше
, 
в
кристалл
, 
где
он
ниже
. 
В
результате
указанных
процес
-
сов
контакт
кристаллов
р
- 
и
n-
типа
приводит
в
области
образо
-

---

141 
вавшегося
p–n-
перехода
к
взаимному
смещению
энергетических
зон
по
оси
Е
, 
как
это
показано
на
рис
. 8.1. 
На
рисунке
виден
энергетический
скачок
(
потенциальный
барьер
), 
проявляющий
-
ся
в
изгибе
всех
энергетических
уровней
в
валентной
зоне
и
зоне
проводимости
. 
Рис
. 8.1. 
Энергетическая
схема
кристалла
в
области
р
–
n
-
перехода
(
без
учета
влияния
внешнего
потенциала
,
приложенного
к
р
–
n
-
переходу
) 
Наличие
и
особенности
потенциального
барьера
в
области
р
–n-
перехода
определяют
свойства
приборов
, 
выполненных
на
основе
р
–n-
перехода
. 
При
протекании
прямого
тока
через
р
–n-
переход
основные
носители
тока
(
например
, 
электроны
из
n-
области
) «
принуди
-
тельно
» 
проникают
(
инжектируются
) 
в
область
с
противополож
-
ным
типом
проводимости
(
в
р
-
область
). 
В
этой
области
указан
-
ные
носители
являются
неосновными
и
неравновесными
. 
Введение
 
неравновесных
 
избыточных
 
носителей
 
заряда
 
в
 
полупроводниковый
 
или
 
диэлектрический
 
кристалл
 
под
 
дейст
-
вием
 
электрического
 
поля
 
называется
 
инжекцией
. 
Инжекция

---

142 
характерна
для
контактов
металл
–
полупроводник
и
для
р
–n-
пере
-
ходов
. 
Будучи
неравновесными
и
неосновными
в
области
с
проти
-
воположным
типом
проводимости
, 
инжектированные
носители
претерпевают
рекомбинацию
(
присоединение
) 
типа
«
зона
-
зона
» 
с
основными
носителями
. 
При
этом
концентрация
инжектиро
-
ванных
носителей
убывает
и
через
некоторое
время
τ
составляет
лишь
1/
е
≈
1/2,7