Збудження напівпровідникових матеріалів від імпульсу електричного поля

Цей спосіб накачування напівпровідникових кристалів був запропонований ще в 1959 р М.Г.Басовим, Б.М.Вулом і Ю.М.Поповим.

Під дією імпульсу сильного зовнішнього електричного поля і напівпровіднику, що має низьку температуру, виникає іонізація атомів домішки або ударна іонізація валентної зони. імовірність того або іншого процесу залежить від величини пікового імпульсу. Важливо, що внаслідок іонізації атомів домішки і безпосереднього вихоплювання електронів з валентної зони утворюється нерівноважна кількість електронів у зоні провідності й дірок у валентній зоні.

Отже, вплив зовнішнього імпульсного поля спричиняє таке підвищення концентрації носіїв струму, при якому функція розподілення електронів у зоні провідності й дірок у валентній зоні буде нерівноважною.

У чистих напівпровідниках, тобто у випадку міжзонних переходів, нерівноважність носіїв, створена безпосереднім вириванням електронів з валентної зони, дещо зменшується під час дії електричного поля значної напруженості. Це викликано тим, що сильне електричне поле підвищує температуру електронів і дірок, у зв’язку з чим носії розподіляються у досить широкій енергетичній смузі кожної із зон. Тоді заселеність кожного рівня зони провідності (для електронів) і валентної зони (для дірок) відносно мала, що перешкоджає виникненню інверсної заселеності.

При швидкому вимиканні зовнішнього електричного поля електрони переходять на найнижчі енергетичні рівні відповідної зони. такий перехід здійснюється внаслідок процесу, що складається з двох стадій:

1. Уповільнення носіїв всередині своїх зон час t до енергії kT, яка визначається температурою решітки кристала.

2. Рекомбінація електронів і дірок за час _с. При уповільненні носіїв струму решіткою кристала можливе сильне виродження електронів зони провідності й дірок валентної зони, що еквівалентне утворенню від’ємних температур у напівпровіднику. Отже, час уповільнення нерівноважних носіїв струму повністю визначає час утворення від’ємної температури.

Процес уповільнення зводиться до зниження температури  швидких (нерівноважних) носіїв, яку вони придбали від дії імпульсу електричного поля, до температури решітки Т. Звідси видно, що виродження пов’язане з середньою енергією електронного (або діркового) газу та його густиною. Підвищення густини носіїв струму спричиняє підвищення інтенсивності обміну енергії від міжелектронних зіткнень, тобто прискорення процесу утворення від’ємної температури (зменшення часу сповільнення t). Виникнення інверсної заселеності при цьому можливе тільки тоді, коли час уповільнення значно менший від часу рекомбінації носіїв: t  _c. Уповільнення електронів у кристалах залежить від розсіювання на коливаннях решітки, причому цей процес складається з двох стадій: 1) уповільнення на оптичних коливаннях решітки до енергії порядку світлового кванту; 2) уповільнення рухомих носіїв через їх взаємодію з акустичними коливаннями решітки.

У зв’язку з тим, що імпульсний метод утворення стану з від’ємною температурою у напівпровідниках ґрунтується на істотній різниці часу рекомбінації _c і часу уповільнення нерівноважних носіїв t всередині зони, умовами виникнення таких станів за цим методом є: значний час існування нерівноважних носіїв, низькі температури зразка і високі густини збудження. Все це дуже обмежує вибір напівпровідникових матеріалів і створює, крім того, багато технічних труднощів.