Энергетический спектр кристалла
При объединении атомов в кристалл высоко расположенные дискретные энергетические уровни изолированных атомов превращаются в широкие энергетические полосы – зоны. Зависимость потенциальной энергии электрона от координат становится периодической. Решение уравнения Шредингера дает зонный энергетический спектр. Внешние электроны атомов принадлежат всему кристаллу, так как легко туннелируют сквозь потенциальные барьеры.
Элементы оптоэлектроники. Гетеропереходы.
Оптоэлектроника (ОЭ) – научно-техническое направление, в котором исследуются и используются эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и на этой основе создаются устройства для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации.
Основные элементы ОЭ – полупроводниковые (п/п) источники некогерентного (светодиоды) и когерентного (лазеры) излучения, а также п/п фотоприемники. В основе действия многих вариантов приборов лежат p-n-переходы.
При прямом включении в p-n-переходе происходит инжекция носителей тока. Инжектированные электроны являются неравновесными; они рекомбинируют с дырками, которых в р-области достаточно много. Каждый акт рекомбинации связан с уменьшением энергии электрона на величину порядка Eg. Эта энергия может преобразоваться в энергию кванта э/м излучения hν. Сл-но, прямо включенный p-n-переход способен испускать э/м волну. Этот эффект лежит в основе действия светодиодов.
Светодиод испускает некогерентное излучение. Однако существует режим, в котором p-n-переход испускает когерентное, лазерное излучение. Соответствующие лазеры называются инжекционными полупроводниковыми лазерами.
В п/п лазере инверсная населенность энергетических уровней создается инжекцией носителей заряда в область, где они являются неравновесными. Их индуцированный переход в равновесное состояние (рекомбинация) и создает лазерное излучение. Лазерное излучение в п/п квантовом генераторе наступает лишь при определенной величине прямого тока. Этот ток называется пороговым.
p-n-переход способен преобразовывать не только электрическую энергию в световую, но и наоборот. Этот эффект лежит в основе действия фотодиодов и различных фотопреобразователей, например элементов п/п солнечных батарей.
Более эффективными для ОЭ являются гетеропереходы. Гетеропереходом называется контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Гетероструктурой называется п/п структура с несколькими гетеропереходами.
На рисунке представлена диаграмма энергетических зон для двух неконтактирующих полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, например из-за различия состава. После образования гетероперехода и в зоне проводимости и в валентной зоне возникают скачки энергии, равные EC и EV соответственно. Эти скачки связаны с неодинаковостью ширины запрещенных зон полупроводников. В гетеропереходе претерпевают скачки и другие параметры полупроводников: ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, их эффективные массы и т.д. Скачкообразное изменение свойств полупроводников на гетеропереходе дает возможность целенаправленно управлять этими свойствами путем подбора сопрягаемых п/п материалов. Поэтому гетеропереходы используются для совершенствования существующих п/п приборов и создания принципиально новых приборов. Гетероструктуры находят широкое применение в наноэлектронике