Программа курса "Оптические явления в полупроводниках"

(9 семестр, 36 часов, экзамен)

1. Введение.
Предмет курса. Поглощение, отражение, преломление, излучение, рассеяние света в полупроводниках. Спектральные области. Взаимодействие света с электронами в зонах проводимости и валентной с примесными состояниями, с колебаниями решетки.

Электродинамическое введение. Действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости. Комплексный показатель преломления и коэффициент отражения; коэффициент поглощения; связь между оптическими параметрами.

Квантовомеханическое введение. Связь матричного элемента оператора импульса с мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости. Разрешенные и запрещенные переходы.

2. Межзонные оптические переходы с энергией кванта света, большей ширины запрещенной зоны.
Мнимая часть диэлектрической проницаемости для переходов между состояниями, описываемыми функциями Блоха. Правила отбора по квазиимпульсу. Комбинированная плотность состояний. Типы критических точек Ван-Хова. Связь осей и точек симметрии в зоне Бриллюэна с критическими точками Ван-Хова на примере кристаллов со структурой типа алмаза и цинковой обманки. Соответствие зонных спектров твердого тела атомным спектрам. Правила отбора по четности. Экспериментальные исследования зонного спектра по спектрам поглощения и отражения. Модуляционная спектроскопия. Использование дисперсионных соотношений.

3. Оптические переходы на краю запрещенной зоны.
Характерные особенности зонной структуры для различных полупроводников; прямозонные и непрямозонные полупроводники. Прямые и непрямые переходы. Поглощение для прямых разрешенных переходов; матричный элемент в модели Кейна. Сравнение экспериментов с теорией.

Эффект Бурштейна-Мосса в поглощении для вырожденных полупроводников. Особенности его в случае сложной валентной зоны. Особенности поглощения в узкозонных полупроводниках типа AIVBVI, AIIBVI. Коэффициент поглощения для непрямых межзонных переходов. Испускание и поглощение фононов: роль виртуальных состояний - эффект зонной структуры. Смена роли прямых и непрямых переходов при изменении состава твердых растворов соединений типа AIIIBV.

Влияние экситонных эффектов на оптические явления вблизи края запрещенной зоны. Экситонное поглощение для прямых переходов в случае экситонов Ванье-Мотта; поглощение для непрямых переходов; анализ экспериментов.

Собственная - межзонная и экситонная - излучательная рекомбинация. Принцип детального равновесия; спектры спонтанного и вынужденного излучения. Интегральная интенсивность излучения, излучательное время жизни. Экспериментальные данные по спектрам межзонного излучения в прямозонных полупроводниках типа AIIIBV и AIVBVI. Анализ экспериментальных данных по спектрам излучения для прямых и непрямых экситонных переходов. Экситоны при больших концентрациях, электронно-дырочные капли.

Полупроводниковые лазеры. Инверсное распределение, усиление света, роль резонатора. Пороговая мощность возбуждения, квантовый выход излучения, КПД, направленность. Лазеры с гетероструктурами. Лазеры с распределенной обратной связью.

4. Оптические явления, обусловленные свободными носителями тока.
Классический плазменный резонанс, плазменная частота, время релаксации. Спектры плазменного отражения, анализ экспериментальных данных. Определение эффективных масс для разных законов дисперсии.

Поглощение света на свободных носителях. Сечение поглощения, роль разных механизмов рассеяния. Оптические переходы между различными ветвями зоны проводимости и валентной зоны.

5. Оптические явления, обусловленные колебаниями решетки.
Кривые дисперсии для фононов в кубических кристаллах. Правила отбора для однофононных переходов. Однофононный резонанс. Поляритоны. Спектры поглощения и отражения для однофононных переходов, анализ экспериментальных данных.

Двухфононные переходы. Правила отбора. Комбинированная плотность состояний и характеристические фононы. Спектры поглощения и отражения, анализ экспериментальных данных. Плазмон-фононный резонанс.

Рассеяние света колебаниями решетки. Комбинационное рассеяние на оптических фононах (Рамана-Ландсберга). Рассеяние на акустических фононах (Мандельштама-Бриллюэна).

6. Влияние примесей на оптические свойства полупроводников.
Классификация оптических явлений, обусловленных примесями. Случай водородоподобных центров, учет вырождения по симметрии и несферичности зон, поправки центрального потенциала и расщепление основного состояния. Модели неводородоподобных центров. Поглощение света для переходов "примесь - ближайшая зона". Переходы с участием невырожденных примесных состояний, правила отбора; оптическая энергия ионизации примеси. Исследования примесного спектра в далекой ИК и субмиллиметровой областях.

Оптическое поглощение с участием примесей, близкое к межзонному поглощению; условия для прямых и непрямых переходов. Излучательная рекомбинация зона-примесь и примесь-зона, вероятность излучения и время жизни. Взаимодействие примесей и "хвосты" в оптических спектрах.

Связанные экситоны, экситонно-примесные комплексы на нейтральных, заряженных, изоэлектронных центрах; спектры поглощения и излучательная рекомбинация. Особенности излучательной рекомбинации на изоэлектронных центрах.

Межпримесная излучательная рекомбинация на донорно-акцепторных парах, близкие и далекие пары. Форма спектра, кинетика излучения.

Внутрицентровые оптические переходы, взаимодействие с фононами, принцип Франка-Кондона. Многофононные оптические переходы, обусловленные примесями. Взаимодействие примесей, примесные комплексы.

7. Оптические явления во внешних полях.
Электрооптические явления. Эффект Франца-Келдыша, эффект Поккельса. Магнитооптические и пьезооптические явления.

Основная литература

1. В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. - М., Наука, 1977, гл. 18: 2-е изд., 1988.
2. Ю.И. Уханов. Оптика полупроводников. - М., Наука, 1977.
3. Ж.И. Панков. Оптические процессы в полупроводниках. - М., Мир, 1973.
4. Т. Мосс, Г. Баррелл, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника. - М., Мир, 1976.
5. А.Н. Пихтин. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники, гл.4. - М., Высшая школа, 1983.
6. К. Зеегер. Физика полупроводников, гл. 10,12,13 (пер. с нем. под ред. Ю.К. Пожелы). - М., Мир, 1977.
7. А.Э. Юнович. Оптические явления в полупроводниках. - М., Изд. МГУ, часть 1, 1988; часть 2, 1991.

Дополнительная литература

1. И.М. Цидильковский. Зонная структура полупроводников. - М., Наука, 1978.
2. П.Г. Елисеев. Инжекционные лазеры. - М., Наука, 1983.
3. А. Берг, П. Дин. Светодиоды, гл. 10. - М., Мир, 1979.
4. В.П. Грибковский. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. - Минск, Наука и техника, 1975.
5. Р.А. Смит. Полупроводники, гл. 10,13,14 / пер. с англ. под ред. Н.А. Пенина. - М., Мир, 1977.
6. В.И. Гавриленко, А.М. Грехов, Д.В. Корбутяк, В.Г. Литовченко. - Оптические свойства полупроводников (справочник). Киев, Наукова думка, 1987.


Другие курсы, читаемые на кафедре