Билет 3

1. Уширение спектральных линий излучения и поглощения и физические причины его обуславливающие.

2. Инжекционный лазер на гетеропереходе (особенности гетероперехода и, как следствие, особенности конструкции и параметров лазера).

1.Распределение интенсивности излучения (или поглощения) по частоте в пределах данной линии характеризуется функцией q(w), которая называется форм-фактором спектральной линии или просто формой линии. Для характеристике относительной ширины спектральной линии используют понятия добротности спектральной линии, которая численно равна отношению резонансной частотыw0 в максимуме линии к ее ширинеdwна уровне половинной интенсивности.Естественное уширение. Это уширение связано с конечностью времени пребывания атомов и молекул в возбужденном состоянии, что, приводит к «размытию» энергетического уровня. Чем больше вероятность спонтанного испусканияAmn, тем больше естественная ширина спектральной линии.Доплеровское уширение. Эффект Доплера есть изменения частоты (длины волны), наблюдаемое при движении источника волн относительно приемника. Частота излучения увеличивается, если источник приближается к наблюдателю, и уменьшается, если он удаляется от него. Хаотичность теплового движения атомов и молекул в газе приводит к тому, что вместо одной резонансной линии с частотойw0 приемник воспринимает совокупность плотно расположенных линий, огибающая которых дает наблюдаемый контур спектральной линии. Если излучатель движется внутри области меньше длины волны, то его движение не влияет на наблюдаемую частоту излучения, т. е. эффект Доплера не проявляется.Уширение вследствие столкновений. Столкновения атомов с другими атомами, ионами, свободными электронами или стенками сосудов в газе, а также взаимодействие атомов с решеткой в твердых телах приводят к увеличению скорости обмена энергией между частицами и соответственно к уменьшению времени жизни атома в возбужденном состоянии. Уширение за счет влияния внутренних и внешних электрического и магнитного полей. Если зеемановское или штарковкое расщепление меньше ширины каждого подуровня, то рядом расположенные подуровни частично перекрываются, вызывая уширение спектральных линий.

2. Гетеропереходы представляет собой контакт (переход) на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов (полупроводников), осуществленный в одном кристалле. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путем легирования появляется новая возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещенной зоны и показатель преломления. Именно поэтому применение гетеропереходов привело как к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов, так и к существенному улучшению параметров ранее созданных устройств. В зависимости от скорости изменения основных параметров по координате различают резкие и плавные гетеропереходы. В резком гетеропереходе это изменение происходит на уровне одного или двух-трех молекулярных слоев. В плавном гетеропереходе контактная область простирается на десятки, а иногда и сотни периодов решетки (молекулярных слоев). Если свойства материала изменяются плавно в макроскопическом масштабе, то такой полупроводник называют варизонным полупроводником, а полупроводниковую структуру – варизонной структурой, подчеркивая тем самым плавно изменяющуюся в пространстве ширину запрещенной зоны. Гетеропереход называется изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом электропроводности, и анизотипным, если образующие его материалы обладают различными типами электропроводности. При обозначении гетероперехода принято указывать тип проводимости полупроводника с узкой запрещенной зоной строчными буквами nилиp, а полупроводника с широкой запрещенной зоной – прописными буквамиNилиP. Изотипные гетеропереходы обозначают какn-Nилиp-P, а анизотипные гетеропереходы какn-Pилиp-N. Наиболее сильное влияние на отклонение свойств гетероперехода от идеального оказывает различие в параметрах решеток и в температурных коэффициентах линейного расширения материалов, образующих гетеропереход. В отличие от идеального в реальном гетеропереходе на границе раздела всегда присутствуют поверхностные состояния.

К важнейшим эффектам, наблюдаемым в гетероструктурах и определяющим их широкое применение в оптической электронике, относятся: 1) эффект широкозонного окна; 2) эффект односторонней инжекции; 3) эффект сверхинжекции; 4) волноводный эффект.1) Этот эффект позволяет с минимальными потерями вывести излучение, генерируемое в области p-nгетероперехода, через его широкозоную часть; 2) Этот эффект позволяет осуществить преимущественную инжекцию неосновных носителей заряда в ту областьp-nперехода, где максимален квантовый выход люминесценции; 3) Узкий положительный потенциальный барьер на гетерогранице электроны свободно проходят за счет туннельного эффекта, попадая затем в потенциальную яму. Эта особенность инжекции в гетеропереходе делает его уникальным по эффективности инжектором, что очень важно для полупроводниковых лазеров; 4)Возбуждение люминесценции электрическим полем может быть осуществлено в неоднородных структурах не только путем инжекции неосновных носителей заряда с приложением к гомо- или гетеро-p-n-переходу напряжения в прямом направлении (этот метод наиболее эффективен), но и другими методами, в том числе с помощью процессов туннелирования через слой изолятора или ударной ионизации в сильных полях.