- •Содержание
- •Введение
- •1 Состояние и перспективы развития элементной базы электроники
- •2 Наноэлектронные лазеры.
- •2.1 Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами
- •2.2 Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами
- •3 Наноплазмоника
- •3.1 Кванты плазмы твердых тел
- •3.2 Спазер — лазер на плазмонах
- •3.3 Однофотонный транзистор
- •3.4 Интегральные схемы на плазмонах
- •4 Оптические модуляторы
- •5 Дисплеи и осветительные приборы на основе нанотрубок
- •Заключение
- •Список используемой литературы
4 Оптические модуляторы
Структуры с квантовыми ямами могут использоваться не только для генерации, но и для модуляции светового излучения из области межзонного оптического поглощения. Физической основой эффекта модуляции являются два следующих экспериментальных факта:
-
в структурах с квантовыми ямами существуют резкие линии экситонного поглощения, имеющие значительно большую интенсивность, чем в однородных полупроводниках, и наблюдаемые не только при низких, но и при комнатных температурах;
-
спектральное положение линий заметно сдвигается при приложении сильного электрического поля перпендикулярно слоям гетероструктуры.
Эти два обстоятельства нуждаются в некоторых пояснениях. Первое обстоятельство связывается с понятием экситона – пары электрон-дырка, неразрывно связанных друг с другом за счет силы кулоновского взаимодействия. При этом электрон находится в зоне проводимости, а дырка – в валентной зоне. За счет совместного движения электрона и дырки экситон может перемещаться по объему полупроводника, не перенося при этом никакого заряда. Потенциальные ямы низкоразмерных квантовых структур, изменяют свойства не только свободных электронов, но и связанных электронах в экситонных состояниях.
Теоретические расчеты на основе уравнения Шредингера показывают, что основное отличие квазидвумерного экситона от экситона трехмерного заключается в увеличении энергии связи экситона в квантовой яме. Для основного состояния изменение составляет 4 раза, т.е. экситонные эффекты в квантово-размерных структурах оказываются значительно сильнее выражены, чем в обычном объемном образце. Поэтому экситонные пики в спектре поглощения таких структур могут наблюдаться вплоть до комнатных температур. Так, для квантовых ям с толщиной порядка 4,6 нм на системе материалов GaAs/AlGaAs такие пики наблюдаются даже при 500 К.
Относительно второго обстоятельства следует отметить, что в однородных полупроводниках электрическое поле разрушает экситоны, растаскивая электрон и дырку в разные стороны. Наличие же квантовой ямы позволяет без вреда для экситона приложить в поперечном направлении достаточно сильное поле, поскольку стенки ямы не дают электрону и дырке возможности разойтись. Поэтому экситонная линия поглощения в поле не исчезает, но ее положение достаточно сильно сдвигается.
Это обуславливается двумя факторами. Во-первых, поле искажает форму самой квантовой ямы, превращая ее из прямоугольной в трапециевидную в соответствие с рисунком 8.
Рисунок 8 – Энергетический спектр квантовой ямы: а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует
При этом меняются энергии квантовых уровней как в зоне проводимости EeN, так и в валентной зоне EhN, а вместе с ними и эффективная ширина запрещенной зоны:
(3) |
Во-вторых, энергия экситона EEX хотя и не обращается в нуль, как только что было отмечено, но тем не менее зависит от приложенного поля. В результате спектральное положение экситонной линии ωEX
(4) |
оказывается сильно зависящим от напряженности электрического поля Е.
Поскольку экситонная линия в спектре поглощения является весьма резкой, то коэффициент поглощения aП для света с частотой вблизи этой линии очень сильно меняется при изменении положения линии. Это делает весьма эффективной модуляцию света с помощью приложенного электрического поля. Ожидается, что подобные модуляторы найдут применение в системах оптической передачи информации.