2.4. Взаимодействие света с веществом
Изучение взаимодействия света с различными веществами выявило квантовый характер этих явлений. Как было отмечено ранее, оптическое излучение обладает свойствами частицы-фотона и волны, т.е. имеет место так называемый корпускулярно-волновой дуализм. С другой стороны установлен квантовый характер поведения электронов в атоме. Он заключается в том, что электроны в атоме или молекуле могут занимать только дискретные энергетические уровни, разделенные запрещенными зонами. Переход с одного энергетического уровня на другой сопровождается поглощением или выделением кванта энергии-фотона. Особенно четко квантовые явления проявляют себя в полупроводниковых оптоэлектронных устройствах.
При изучении взаимодействия света с веществом на микроскопическом уровне, Эйнштейн, вывел уравнение фотоэффекта, в котором впервые использовал понятие фотона как кванта света. Последующие исследования полупроводников привели к разработке зонной теории. На рис.2.6 приведены схемы энергетических зон и переходов электронов в полупроводниках разных типов. В чистых монокристаллических полупроводниках Si и Ge валентная зона и зона проводимости разделены довольно широкой запрещенной зоной (рис.2.6). Для того чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, необходимо сообщить ему довольно большую энергию ΔЕ=Е1Е0. При возбуждении атома, т.е. при переводе электрона в зону проводимости, в кристаллической решетке появляется положительно заряженный ион («дырка»). Таким образом, электронно-дырочная пара носителей заряда появляется, если полупроводник осветить светом с энергией фотонов ΔЕ. Если к обкладкам полупроводника приложить напряжение, то при освещении светом возникнет ток. На этом принципе основана работа фоторезисторов.
У легированных полупроводников энергетические валентная зона и зона проводимости смещаются так, что запрещенная зона уменьшается. Следовательно, электронно-дырочная пара носителей заряда появляется, если легированный полупроводник осветить светом с меньшей энергией фотонов ΔЕ. Еще меньше требуется энергии при освещении р-п-перехода.
Рис. 2.6. Схематическое изображение энергетических зон в полупроводниках (а - полупроводник с собственной проводимостью, б – полупроводник п-типа, в – полупроводник р-типа)
Согласно положениям квантовой механики электроны могут находиться только в разрешенных зонах. Обычно у полупроводников они находятся в нижней (валентной) зоне в устойчивом состоянии с малой энергией. Для перевода на более высокий уровень требуется затрата энергии на преодоление запрещенной зоны. На верхнем уровне электроны долго не задерживаются и переходят на нижний с излучением света.
У некоторых полупроводников имеются метастабильные энергетические уровни, на которых электроны задерживаются и создается инверсная населенность. Возникает, так называемая, активная среда, в которой свет с длиной волны, соответствующей энергии перехода электрона на нижний уровень, будет не ослабляться, а усиливаться. Помещая активную среду между зеркальными стенками резонатора, на выходе резонатора можно получить многократное усиленное излучения, называемое лазерным.