книги из ГПНТБ / Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ

Отметим, что g 2Z есть напряжение, приложенное к кристаллу. Следовательно, для света, распространяющегося в направлении

Ф и г. 15.9. Эффект Поккельса.

Превращение линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный.

приложенного поля, наблюдается линейный электрооптпческий эффект, величина которого для данного материала зависит только'

нитном поле. Когда линейно поляризованное излучение проходит через материал в направлении, параллельном магнитному полю, плоскость поляризации поворачивается [7]. Угол поворота Ѳ пропорционален магнитному полю Н и длине кристалла I:

0 = СѴНІ. .

Здесь С0 — так называемый коэффициент Берде (поворот на еди­ нице длины в единичном магнитном поле). Коэффициент Берде

показатель преломления при пулевом поле и т* — эффективная масса Фойгта, представляющая собой результат сложного усред­ нения эффективных масс, характеризующих эллипсоидальную долину. Величина т% сильно зависит от кристаллографического направления.

5. Двойное лучепреломление, вызванное напряжениями

Вещество, оптические свойства которого в нормальных усло­ виях изотропны, становится двоякопреломляющим под действием одноосного напряжения. Двойное лучепреломление, индуциро­ ванное напряжением, часто называют «эффектом фотоупругости». В полупроводниках элементы тензора напряжений сильно зависят

исходя нз кристаллографических соображений.

В гл. 2 мы видели, что в кремнии н-тппа одноосное напряжение, приложенное в направлении Ц00], вызывает перераспределение электронов, в результате которого увеличивается заселенность тех долин, которые лежат в направлении максимального напря­ жения. Инфракрасное или микроволновое излучение будет взаи­ модействовать со свободными носителями по-разному, в зависи­ мости от того, параллелен пли перпендикулярен электрический вектор излучения по отношению к направлению, в котором при­ ложено напряжение. Эта анизотропия, обусловленная тем обстоя­ тельством, что электроны сосредоточены в вытянутой эллипсои­ дальной долине, вызывает двойное лучепреломление [И]. При этом анизотропный эффект, связанный со свободными носителями, может вызвать также дихроизм [12] — оптическое явление, кото­ рое было предложено использовать в качестве удобного метода исследования потенциалов деформации и междолиииого рассея­ ния.

6. Отклонение и модуляция светового пучка

Любое явление, вызывающее изменение показателя преломле­ ния полупроводника, может быть использовано для отклонения пучка света. Электрооптический эффект представляет собой удоб­ ный способ модуляции показателя преломления [13]. Кристаллу придается форма оптимально ориентированной призмы (фиг. 15.10). Луч, прошедший через призму, выходит из нее под неко­ торым углом к падающему лучу. Напряжение У, приложенное к призме, вызывает изменение показателя преломления, которое пропорционально либо У (эффект Поккельса), либо У2 (эффект Керра), что приводит к соответствующему отклонению выходя­

щего пучка. Для того чтобы получить полезные, хотя и малые отклонения, требуются высокие напряжения (необходимо поза­ ботиться о том, чтобы не превысить пробивное напряжение). Другая проблема заключается в образовании двух пучков в ре­ зультате индуцированного двойного лучепреломления.

Следует также упомянуть о другом возможном методе откло­ нения светового пучка, который основан на бриллюэновском рассеянии, рассмотренном в п. 2 § 2 гл. 12, но без учета поляри­ зационных эффектов. Свет рас­ сеивается областями неоднород-

Ф н г. 15.10. Электрооптпческое откло­ нение пучка света.

ности, где показатель преломления меняется либо из-за измене­ ния плотности, либо за счет локальных напряжений. Продоль­ ная акустическая волна может индуцировать периодические флуктуации плотности, а поперечная — создавать периодическое распределение напряжений сдвига. Таким образом, акустическая волна образует решетку, которая отклоняет падающее излучение на угол 0, такой, что для первого порядка

длина волны фонона (ѵа — скорость звука, / — частота фонона). Следовательно, отклонение светового пучка можно контролиро­ вать, меняя частоту акустической волны.

Другим важным применением электрооптическпх и магнито­ оптических эффектов является модуляция света. Поскольку при этом меняется плоскость поляризации пропущенного света, интен­ сивность излучения можно модулировать, если установить за полу­ проводником анализатор, представляющий собой фильтр, который пропускает только свет, линейно поляризованный в определенном направлении. Анализатор ориентируют таким образом, чтобы он полностью пропускал излучение, когда внешнее поле равно нулю. Когда поле отлично от нуля, плоскость поляризации пово­ рачивается на угол 0 и интенсивность пропущенного света умень­ шается до величины

L = L0cos 0,

где L 0 — интенсивность излучения, выходящего из полупровод­ ник а.

Соединение GaAs, обладающее большим электростатическим коэффициентом, успешно использовалось для модуляции лазера непрерывного действия с длиной волпы 1,06 мкм в полосе частот 5 МГц 114]. При напряжении 300В была получена 100%-ная моду­ ляция. Этот эксперимент продемонстрировал практическую воз­

можность передачи телевизионного сигнала с помощью лазерного луча.

Спосооность р — 71-переходов действовать в качестве свето­ водов и их малые размеры делают их пригодными для использо­ вания в качестве электрооптических модуляторов [15—17]. Малая величина активной области позволяет свести к минимуму тре­ буемую мощность.

Задача 1. Рассмотрите одноосный кристалл с показателями преломле­

угол 0 с оптической осью, обозначьте соответствующие показатели прелом­ ления п а II щ,. Выразите п а и пь через >>Q, п Е и 0. Постройте приближенную зависимость сдвига фаз Дер = (2nd/X) \ п а — щ | от угла 0 при прохождении ооыкновенным и необыкновенным лучами расстояния d в веществе. [У?,-аза-

мае: прочитайте текст перед формулой (15.5).]

Задача 2. Покажите, что линейный электрооптпчеекпй эффект отсут­ ствует в материалах, обладающих инверсионной симметрией. Сравните Si и GaAs, начертите решетку для каждого материала и обсудите, следует ли ожидать в каком-либо из этих веществ линейный электрооптический эффект.

^ Задача 3. Если к кубическим кристаллам со структурой цинковой оомаикн приложить сильное электрическое поле в направлении [111], то

HW

Ф и г. 15.11.

кристаллы становятся одноосными с оптической осью, направленной вдоль [111]. Показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей определяются в этом случае формулами

Рассмотрим ооразец, показанный на фиг. 15.11. Линейно поляризованный свет падает перпендикулярно плоскости 1 образца. Опишите фазу и поляри­ зацию луча, доходящего до конца образца, в каждом из следующих случаев: электрический вектор падающего света: 1) параллелен направлению [111],

^ пеР Л Т ПКуЛЯреН иапРа,влеиию UHL 3) образует угол 45° с направле­ нием [111]. Пусть d = 2тКІп, где X — длина волны, а т — любое целое число.

Задача 4. В электрооптических кристаллах KDP (химическая формула КНгРСХі) модулирующее поле g параллельно направлению распространения

■светового пучка, как показано на фиг. 15.9. В структуре цинковой обманки, упомянутой в задаче 3, эти два направления перпендикулярны. Обсудите ■сравнительные достоинства этих двух фазовых модуляторов. Предположите, что величина п?г в обоих случаях одинакова.

Задача 5. В задаче 3 было рассмотрено применение электрооптпческого кристалла для модуляции фазы и поляризации. Данная задача посвящена модуляции иптеиспвпостп. На фиг. 15.12 показана схема опыта, в котором

-используется кубический крпсталл класса 43т; модулирующее поле g параллельно направлению [111], которое выбрано также в качество осп з.

ѵу

Ф и г. 15.12.

Значения показателей преломления п 0 и п Е для такой геометрии приведены в задаче 3. Поляризатор, параллельный плоскости х, з, с осью, наклоненной под углом 45° к осп з, превращает неполярпзованный падающий свет в поля­ ризованный, электрический вектор которого <§ направлен под углом 45° к оси з. Анализатор также параллелен плоскости х, з, но его ось расположе­ на под углом —45° к осп з. Таким образом, анализатор будет пропускать световые лучи с вектором §, параллельным его оси, которая составляет

угол 90° с осью поляризатора. Найдите отношение интенсивностей выходя­ щего и входящего света и выразите напряжение, при котором это отношение максимально, через параметры устройства п , г, d, t и длину волны X. Опиши­ те, как меняется выходная интенсивность при изменении V от нуля до этой

величины

6.Teich M. C., Kaplan T-, IEEE Journ. Quantum Electronics, 2, 702 1966.

7.LaxB ., Zwerdling S., Progress in Semiconductors, 5, 251 (I960); RothL. M .,

12.Furdyna J. N., Soardo G. P., Proc. Int. Conf. Physics of Semiconductors

Paris, Dunod, 1964, p. 171.

171 (1965).

15.Nelson D. F., Reinhart F. K., Appl. Phys. Lett., 5, 148 (1964).

16.Walters W. L.' Journ. Appl. Phys., 37, 916 (1966).

17.Oldham W. G., Bahraman A ., IEEE Journ. Quantum Electronics, 3, 278

(1967).

1&.*Жевандров FI. Д ., Поляризованный свет, пзд-во «Наука», М., 1969.

Молекулы могут днссоциировать на поверхности кристалла, кото­ рый затем действует как катализатор, эффективность которого меняется под действием излучения. Адсорбированные молекулы обладают характерным спектром оптического поглощения, кото­ рый может быть найден при помощи техники спектроскопии внут­ реннего отражения (стандартной техники физико-химического и химического анализа). Освещение кристалла в процессе выра­ щивания из паровой фазы позволяет улучшить его кристалличе­ скую структуру, поскольку при этом увеличивается подвижность атомов вдоль поверхности подложки, что способствует нахож­ дению и установлению более прочных связей.

1. Поверхностные состояния

На поверхности полупроводника, полученной в результате скола, появляются ненасыщенные связи. Эти связи могут сильно взаимодействовать с атомами п молекулами среды (хемисорбция).

Возникают поверхностные состояния, которые могут либо отдавать, либо при­ нимать электроны, в ре­ зультате чего устанавли­ вается связь между средой и кристаллом. Основы­ ваясь на теоретических со­ ображениях, следует ожи­ дать очень высокой плот­ ности поверхностных со­ стояний, так как разрыв

Ф и г . 16.1. Зависимость энер­ гии от волнового вектора и плотность состояний для неко­ торых возможных моделей по­ верхностных состояний [2].

кристаллической решетки на поверхности дает по крайней мере одну «болтающуюся связь» на атом. Ненасыщенная связь эквива­ лентна акцепторному состоянию. Эти поверхностные состояния называются «уровнями Тамма» [1]. Их максимальная плотность должна быть порядка ІО15 см-2. Однако на реальной поверхности обычно можно обнаружить только ІО11 состояний иа 1 см2.

Прежде чем пытаться объяснить это кажущееся уменьшение плотности, следует отметить, что мы только начинаем подходить