Поглощение и усиление света в полупроводниках.

Собственный полупроводник, находящийся в тепловом равновесии, прозрачен для света с частотой ν < Еg/h, так как энергии фотона не хватает для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (Ефот = hν < Еg). Поэтому фотоны оптического излучения не поглощаются электронами валентной зоны.

Если же частота света ν > Еg/h, то энергия фотона больше ширины запрещенной зоны (hν>Еg). Поэтому электроны валентной зоны поглощают фотоны оптического излучения и переходят в зону проводимости. Эти же фотоны могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что должно приводить к усилению света.

Вероятность процесса поглощения фотона равна вероятности индуцированной рекомбинации. Поскольку в собственном полупроводнике число электронов в валентной зоне много больше числа электронов в зоне проводимости, то процессы поглощения фотонов будут преобладать. Следовательно, оптическое излучение с частотой ν>Еg/h будет сильно поглощаться в чистом полупроводнике, находящемся в тепловом равновесии.

Рассмотрим теперь полупроводник, одновременно вырожденный по электронам и дыркам (рис…..). Для такого полупроводника можно принять, что все уровни в зоне проводимости между Е_Fⁿ и E_C полностью заполнены электронами, а на уровнях валентной зоны между E_V и E_F^p имеются только дырки.

Пусть на такой полупроводник падает свет с энергией фотонов Ефот<Еg. Ясно, что в этом случае энергии фотона не достаточно для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости и свет в полупроводнике поглощаться не будет. Полупроводник прозрачен для такого излучения.

Пусть теперь на полупроводник подается излучение с энергией фотонов Еg < Ефот< Е_Fⁿ - E_F^p. Энергия такого фотона достаточна для перевода электрона с уровней, находящихся между E_V и E_F^p, валентной зоны на уровни энергии в зоне проводимости, находящиеся между Е_Fⁿ и Е_Fⁿ.

Но, на уровнях валентной зоны между E_V и E_F^p нет электронов. Даже, если бы там нашелся электрон, то он не смог бы перейти в зону проводимости на уровни между Е_Fⁿ и E_C, поскольку они полностью заняты электронами и для нового электрона места нет. Поэтому излучение с энергией фотонов отвечающих условию Еg < Ефот< Е_Fⁿ - E_F^p в полупроводнике поглощаться не будет.

В то же время эти фотоны могут вызвать индуцированную рекомбинацию. При этом появятся вторичные фотоны, точно совпадающие по своим свойствам с первичными. Следовательно такой полупроводник может усиливать оптическое излучение в полосе частот

.

Ширина этой полосы частот определяется степенью вырождения электронов и дырок, то есть положением квазиуровней Ферми и шириной запрещенной зоны полупроводника Еg.

Итак, условие

Е_Fⁿ - E_F^p>Eg

необходимо для того, чтобы полупроводник мог усиливать оптическое излучение.