книги из ГПНТБ / Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ
.pdf/
\
OPTICAL
PROCESSES
IN SEMICONDUCTORS
JACQUES I. PANKOVE ,
David S arnoff Research C enter
RCA Laboratories
»
Prentice-H all, Inc. Englewood C liffs, New Jersey, 1971
Ж. ПАНКОВ
ОПТИЧЕСКИЕ ь
ПРОЦЕССЫ
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Перевод с английского
Под редакцией
Ж . И. АЛФЕРОВА и В. С. ВАВИЛОВА
Издательство «Мир» М осква 1973
УДК 537.311.33-535
чи'сляьно^ 0ШкЛѢ
Цъ-ьШь
Монография пзвестного американского специалиста Ж. Пан кова посвящена физическим процессам взаимодействия света с полупроводниками, а также практическому использоваишо этих процессов в полупроводниковых лазерах, люминесцент ных диодах, приемниках видимого п пнфракраспого излучения.
Книга снабжена большим количеством (около 400) иллю страций — схем, графиков, чертежей, что делает ее полезной для инжеперных расчетов, а также упражнениями и задачами, способствующими усвоению и закреплению материала.
Книга принесет несомненную пользу самым широким кру гам читателей: фпзпкам-теоретпкам и экспериментаторам, инже нерам, специализирующимся в области радиоэлектроники, полу проводниковой, лазерной н инфракрасной техники, студентам старших курсов университетов и технических вузов.
Редакция литературы по физике
ТТ |
3312-053 |
© Перевод иа русский язык, «Мир», 1973 |
|
041(01)-73 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Книга известного американского физика Ж. Панкова, в течение многих лет работающего в Исследовательском институте фирмы RCA, основана на курсе лекций, прочитанных им в Калифорний ском университете, и посвящена детальному анализу многообраз
ных оптических процессов в полупроводниках и |
структурах, |
|
включающих полупроводники. |
|
|
Как известно, взаимодействие |
электромагнитного |
излучения |
с полупроводниками . составляет |
одну из основных проблем |
|
физики полупроводников. Особый интерес в этой широкой обла сти исследований занимают физические процессы, связанные в пер вую очередь с существенно неравновесным состоянием электронной «подсистемы» кристалла. Такие неравновесные процессы могут быть возбуждены электромагнитным излучением, и в этом случае объектом исследования обычно являются результирующие изме нения свойств полупроводника, т. е. фотоэффекты в широком смыс ле этого понятия. В других случаях возбужденная тем или иным способом, например за счет энергии приложенного извне электри ческого поля, электронная подсистема кристалла полупроводника сама становится эффективным источником электромагнитного
излучения. В этом |
случае имеет место электролюминесценция; |
|
в |
определенных условиях излучение может быть когерентным, |
|
и |
полупроводник |
становится оптическим квантовым генерато |
ром —• лазером. |
|
|
|
По физике и технике полупроводников в Советском Союзе изда |
|
ется довольно много книг, среди которых значительная часть посвя- *щена оптическим явлениям.в полупроводниках. Среди последних можно отметить монографию С. М. Рывкина «Фотоэлектрические явления в полупроводииках» х), а также выпущенные издатель ством «Наука» сборники по отдельным вопросам физики и практи ческих применений оптических процессов в полупроводниках 123). Книга Ж. Панкова отличается прежде всего систематическим и до
1) С. М. Рывкии, Фотоэлектрические явления в полупроводниках,
Фнзматгиз, 1963.
3) См., например, сб. «Излучательная рекомбинация в полупроводни ках», изд-во «Наука», 1972.
6 Предисловие редакторов перевода
ступным изложением всей этой проблемы в целом в рамках одной книги.
Оптические явлеппя в полупроводниках принадлежат к тем областям исследований, которые особенно бурно развиваются в на стоящее время. Естественно поэтому, что в книге оказались нерас смотренными оптические процессы в полупроводниковых структу рах с гетеропереходами и приборы на их основе, а также широкий класс явлений при так называемой оптической ориентации спинов и некоторые другие исследования, развитые в самое последнее
время. |
|
|
Автор |
преподносит |
материал в простой и наглядной форме. |
Б связи с |
этпм в ряде |
случаев ему приходится жертвовать стро |
гостью изложения, что, как правило, оговорено в тексте книги. Чи татели, желающие более углубленно познакомиться с отдельными вопросами, легко найдут необходимые сведения в цитируемых авто ром работах; список их частично пополнен при переводе книги работами советских авторов.
Книга Ж. Панкова представляет несомненный интерес для спе циалистов, работающих в области радиоэлектроники, полупровод никовой, лазерной и инфракрасной техники, а также для студентов старших курсов университетов и технических вузов.
Перевод книги выполнен Д. 3. Гарбузовым (гл. 6—8), А. А. Гипппусом (гл. 1—5, 13—16, 18 и ^приложения) и Е. Л. Портным (гл. 9—12, 17).
Ж. 11. Алферов В. С. Вавилов
- Ч
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
В основу этой книги легли лекции, прочитанные автором в 1968—1969 гг. в Калифорнийском университете (Беркли). Книга появилась как результат ясного понимания ее необходимости, так как для хорошего ознакомления со всеми явлениями, связан ными с взаимодействием света с полупроводниками, приходилось обращаться к большому количеству разрозненных источников и искать многие журналы, однако часто оказывалось, что найден ный там материал предназначается лишь для узких специалистов. В ходе многолетних экспериментальных исследований я изучал литературу, поэтому мне показалось желательным представить почерпнутые сведения в последовательной форме, добавив новые концепции, изложенные в текущей литературе или на последних конференциях. В процессе написания книги появились новые аспекты, которые освещаются здесь впервые.
В данной книге рассматриваются взаимодействия фотонов, электронов и атомов в кристаллах полупроводников. Эти взаимо действия лежат в основе явлений поглощения, преобразования, модуляции и генерации света. Принято считать, исходя из фено менологической сложности явления, что наиболее запутанные про цессы встречаются в биологии, тогда как физика твердого тела кажется относительно простой. В самом деле, что может быть проще совершенного кристалла при низкой температуре, когда все атомы неподвижны? Однако оказывается, что существуют эксптоны, экситонные комплексы, поляритоны... Кроме того, неизбежные несо вершенства кристалла и примеси дают новые состояния. В резуль тате возрастает число возможных типов взаимодействия между электронами, находящимися на различных уровнях, фотонами и фононами. Внешние воздействия, такие, как давление, темпера тура, электрические и магнитные поля, вносят дополнительные возмущения, усложняя картину явлений.
Спектроскопические данные дают многообразную информацию о физических процессах с участием излучения. Положение пика излучения или поглощения позволяет определить энергетический промежуток, разделяющий уровни, между которыми происходит переход. Наименьшая энергия фотона в некой спектральной струк туре соответствует порогу для переходов определенного класса-
8 Из предисловия автора
тогда как форма спектра зависит от вероятностей перехода и от рас пределения состояний по энергиям. Поглощение связано с перехо дами во все незанятые состояния, поэтому оно охватывает широкую область спектра. Излучение же происходит в неравновесных усло виях, и поскольку носители сосредоточиваются в паинизших воз можных состояниях, например у края зоны, то излучение занимает узкий спектральный интервал. В том случае, если имеются ловуш ки, наблюдаются медленно протекающие процессы, зависящие от температуры. Безызлучательная рекомбинация также часто зависит от температуры. Свет может создавать электроны с энер гией, достаточной для преодоления барьера и выхода в вакуум. Электронную эмиссию можно использовать для исследования сос тояний, далеко отстоящих от краев зон. Модуляция отражения представляет собой еще один метод изучения распределения состо яний и идентификации критических точек зонной структуры. Свет может стимулировать адсорбцию или десорбцию атомов на по верхности полупроводппков или вызывать другие фотохимические реакции. С развитием лазерной техники стало возможным исследо вать рассеяние интенсивного монохроматического излучения в ре зультате взаимодействия его с впутреииимп осцилляторами; при этом можно работать в более удобной спектральной области и по лучать дополнительные данные о правилах отбора для этих про цессов. Практические применения оптических процессов в полу проводниках слишком многочисленны, чтобы можно было рассмот реть их здесь детально, однако основные принципы нашли отраже ние в данной книге. Электролюминесценция и стимулированное излучение света лежат в основе полупроводниковых источников излучения. Поглощение света используется в различных фотоде текторах, фотосопротивленпях, фотовольтаических приборах и фо тоэмиттерах.
Моя цель состоит в том, чтобы дать читателю представление об уже известных явлениях, обращаясь к его физической интуиции. В книге имеется много ссылок на работы, в которых читатель, заинтересованный некоторыми эффектами, может найти более глубокое и строгое изложение предмета. Задачи (приведенные в конце глав) помогут изучающему прочно усвоить материал, активно размышляя над основными концепциями. Хотя книга предназначена в основном для студентов старших курсов и аспи рантов, опа может быть полезна также и для исследователей, интересующихся оптическими явлениями в полупроводниках.
Принстон, Ныо-Джерсн |
Ж. Панков |