|
| |
|
Слаботочка Книги Фото-приемники SiC БаР lEofe InAs PbSe InSb PbSnTe Be-Hg - GeCu CBemo-излучающие диоды GaJXAS In PAS Ms PbS UAf, стекло [Ы] I I IGa/lsP PbSnTa Лазеры HeNe /llGnAs I to As le ,co, TnSb PbTe PbSe 1° I 1*1 I 10 Л, iiHi-t Рис. 1.2. Распределение излучателей и фотоприемников в оптическом диапазоне спектра жению важной для оптоэлектроники области: фактически речь идет о диапазоне 0,2 ... 50 мкм. Данное обстоятельство не случайно. По шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещенной зоны 0,02 ... 5 эВ, т. е. кванты такого излучения пригодны для ионизации лишь валентных электронов (собственных и примесных) атомов полупроводников. Действительно, у таких широ-козонных полупроводников, как сульфид цинка и карбид кремния, ширина запрещенной зоны составляет 3 ... 3,5 эВ, а энергия ионизации донорных и акцепторных примесей в германии и кремнии- 0,01 эВ. Использование более коротковолнового излучений привело бы к возбуждению электронов внутренних оболочек атомов, т. е. к принципиально иному механизму взаимодействия с веществом. Кванты малых энергий (длинноволновая область спектра), напротив, не в состоянии вызвать ионизацию атомов, их воздействие проявляется лишь в экситонной и фононной генерациях. Другими словами, и «слева» и «справа» механизм взаимодействия излучения с веществом иной, чем в освоенном оптоэлектронном диапазоне, следовательно, иными оказываются принципы работы приборов в этих частях оптического диапазона, их особенности и области эффективного применения. Таким образом,, спектральный диапазон оптоэлектроники практически может быть сужен до 0,2... 50 мкм. В этом интервале необходимо выделить видимую часть спектра (0,38 ... 0,78 мкм), слева от нее по шкале длин волн находится область ультрафиолетового излучения,, справа - инфракрасного. Известно, что оптическому излучению присущ дуализм: в одной группе явлений проявляются его волновые свойства, в другой - корпускулярные или квантовые. Связь параметров световой волны (длины волны X и частоты колебаний v) с энергией кван- та (фотона) £ф = /lv, где h - постоянная Планка, определяется простыми соотношениями: £ф=1,23А = 4,1.10->5 V, где к, мкм; ф,,. эВ; v, Гц. При известной плотности )у[ощности излучения Р„зл, мВт-см-2, плотность потока фотонов где Мф, с- - см-2. Ф.изика волновых оптических явлений, базируюгкаяся на системе уравнений Максвелла, приведенных ниже, включает изучение интерференции, дифракции и поляризации, использование законов геометрической оптики, рассмотрение электро- и магнитооптических эффектов. Квантовая природа оптического излучения наиболее отчетливо проявляется в тепловой генерации и различных видах люминесценции, в фотоэффекте, процессах взаимодействия излучения с веществом, явлениях нелинейной оптики. В соответствии с законом смещения Вина зависимость длины волны максимума спектра излучения нагретого тела от его температуры имеет вид: ?ма«с = 3896/Т, где Т - температура. К; Ямакс, мкм. Это соотношение позволяет построить еще одну - температурную - ось оптического диапазона (см. рис. 1.1, где Га.чт - температура абсолютно черного тела), характерными точками которой являются: края диапазона 0,2 и 50 мкм (соответствуют температурам 14450 и 60 К); середина видимой части спектра 0,55 мкм (5600 К); максимум излучения человеческого тела и предметов при нормальной температуре приходится на К~9,3 мкм. Теоретическую основу анализа электромагнитных явлений составляют система уравнений электродинамики или уравнений Максвелла, характеризующая напряженности электрического Е и магнитного Н полей в каждой точке среды, и материальные уравнения, описывающие электрические и магнитные свойства среды. Б общепринятой дифференциальной форме (применительно к бесконечно малым объемам среды) уравнения Максвелла записываются следующим образом: rot Е = - с di rotH= /-Ь-; (1.1) с с dt divD = 4np; " div В = О, Й6 " " где D, В материальные уравнения имеют вид: D = 8e; B = jxH; (1.2) j=oE, ej - векторы электрической, магнитной индукций и ока соответственно, е и ц, - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; а - удельная электрическая проводимость; р - объемная плотность зарядов; с - скорость света в вакууме. (Е и Н называют также просто электрическим и магнитным векторами.) Относительно материальных уравнений необходимо сделать несколько замечаний. Если среда представляет собой диэлектрик, поляризующийся под действием внешнего электрического поля, то в правую часть первого уравнения в (1.2) должен быть добавлен вектор поляризации Р = х,Е, (1.3) где Хе - диэлектрическая восприимчивость вещества. Величина Tie определяется объемной плотностью наведенного электрического дипольного момента и особенно велика для сегнетоэлектриков. Если среда обладает свойствами магнетика, намагничивающегося под действием внешнего магнитного поля, то в правую часть второго уравнения (1.2) должен быть добавлен вектор внутренней магнитной индукции Ве„утр = >«нН, (1.4) где Ин - магнитная восприимчивость вещества. Величина %н определяется объемной плотностью наведенного магнитного момента (поддерживаемого внутренними молекулярными токами) и особенно велика для ферромагнетиков. Наконец, если помимо сил электромагнитного поля действуют еще какие-то силы электрической природы, то в правую часть третьего уравнения (1.2) должна быть добавлена плотность «стороннего» тока JcT==cEcT. (1-5) где Ест - эффективная напряженность электрического поля, характеризующая действие сторонних сил. Значения Р, Ввпутр, ]ст могут быть очень малы (для большинства оптических сред это так), но тем не менее никогда не равны нулю; этим обусловлено нарушение линейности материальных уравнений (1.2) при малых значениях Е, Н, j. В сильных электромагнитных полях линейность этих уравнений также нарушается, что связано с нелинейными оптическими эффектами (см. гл. 3) и с появлением зависимости a=fi(E), Ke=f2(E) при больших значениях Е- Вернемся к рассмотрению системы уравнений (1.1), (1.2). В линейном приближении(что справедливо для нашего рассмотрения) действует, как известно, принцип суперпозиции. Это значит, 0 1 2 3 [4] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |