говорилось, при перемещении электрона между зонами энергия должна либо поглощаться, либо излучаться. Величина участвующей в этом процессе энергии равна разности между энергетическими уровнями: Ei - Е2. Эта разность называется межзонной щелью. Величина энергии, соответствующая щели между зонами, соответствует определенному кванту света. Длина волны кванта света равна

где h - постоянная Планка (6.625 х 10 Дж-сек), с - скорость света, а и Е2 - значения энергии, соответствующие границам щели.

Спонтанное излучение, схематически изображенное на рис. 8.2, сопровождается случайным переходом электрона на более низкий энергетический уровень. СИД работает на спонтанной эмиссии. При вынужденном излучении фотоны стимулируют или вынуждают электроны изменять свои энергетические состояния. Работа лазера основана на принципе вынужденной эмиссии.

Поглощение электроном внешней энергии падающих на вещество квантов света позволяет ему перемещаться в состояние с более высоким значением энергии.

Переход р-п типа в полупроводниках

Использование перехода р-п типа в легрфованных полупроводниках лежит в основе всех электронно-оптических устройств для волоконной оптики. Как лазеры, СРЩ, фотодиоды, так и другие полупроводниковые приборы, такие, как диоды и транзисторы, используют р-п переход. Остановимся вначале на основных принципах работы этого перехода, а затем рассмотрим работу СИД и лазеров. Более детально работа фотодиодов обсуждается в главе 9.

Как было показано ранее, атом кремния имеет четыре валентных электрона. Именно эти электроны ответственны за образование связи, удерживающей атомы вместе в кристаллической структуре. В кремнии этой связью является ковалентная связь, при образовании которой происходит обобществление электронов атомами, как показано на рис. 8.3. Видно, что каждый атом окружают восемь валентных электронов, необходимых для полного заполнения внешней орбиты, при этом четыре из них являются для атома своими и четыре принадлежат окружающим атомам. Все электроны участвуют в образовании ковалентной связи, а свободные электроны отсутствуют.

Переход р-п типа реализуется в веществах типа кремния. Предположим, что в кристалл кремния добавлено вещество, имеющее пять валентных электронов. Поскольку для образования ковалентной связи требуется только четыре электрона, то один электрон остается незанятым. Этот электрон свободен и может перемещаться по кристаллической структуре. При этом в зоне проводимости появляются свободные электроны. Вещества такого рода называются веществами п-типа, так как они имеют избыток отрицательно заряженных электронов.

Теперь предположим, что в кремний добавлен материал с тремя валентными электронами. При этом появится не заполненная электронами кова-лентная связь. Данная электронная вакансия называется дыркой. Дырка в полупроводнике является достаточно необычной, так как по определению она означает отсутствие чего-то. Формально она, подобно электрону, может рассматриваться как носитель заряда, но только положительного. И в действительности дырка проявляется как положительно заряженная частица. Полупроводник, имеющий избыток положительно заряженных дырок, называется полупроводником р-типа.

Ковалентная связь

Число

валентных

эле1сгронов

Атом фемния

Рис. 8.3. Ковалентные свяш в атоме фемния

Переход р-п типа в диоде образуется при хорошем контакте различных участков полупроводника, легированных соответственно р- и п-типа донорами. Участок полупроводника п-типа имеет свободные электроны, а участок р-типа имеет избыток дыр. Когда данные участки приводятся в соприкосновение, то электроны и дырки начинают просачиваться через контакт и ре-комбинировать. Рекомбинация означает сваливание свободного электрона в дырку, при этом электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону и становится частью ковалентной структуры атома. Как электрон, так и дырка при этом прекращают свое существование в виде носителей заряда.

В результате рекомбинации, проходящей в области р-п перехода, в ней отсутствуют какие-либо носители заряда. При этом возникает барьер, препятствующий дальнейшей свободной (без подвода дополнительной энергии) миграции электронов и дырок через переход.

При рекомбинации электрона и дырки происходит выделение энергии. В зависимости от веществ эта энергия может соответствовать энергии све-

тового кванта, а может и не соответствовать. В кремнии данное соответстже вьшолняется. Энергия вьвделяется в виде тепла в форме колебаний кристаллической структуры.

В лазерах и СИД используются элементы III и V групп Периодической системы элементов. Эти элементы имеют соответственно три и пять электронов в своих валентных зонах. При комбинации равного количества атомов с тремя и пятью электронами получается структура, близкая к структуре кремния. При этом атомы будут образовывать ковалентную связь, характеризующуюся заполненными валентными оболочками атомов. Никаких свободных носителей заряда присутствовать не будет. Для создания полупроводника п-типа комбинируются вещества V группы в большей про-порщш с веществами III rpynnbL В этом случае в структуре появляются свободные носители заряда в виде электронов. Аналогично увеличение пропорции веществ III группы приводит к появлению носителей заряда в виде дьфок. На рис. 8.4 представлены три ситуации на примере арсенида галлия. Атом галлия имеет три валентных электрона; атом арсения имеет

Галлий (3 валентных электрона)

Арсений [5 валентных электронов)

Дырка

р-тип

Свободный элещюн

п-тип

Рис. 8.4. Свободные электроны и дырки в арсениде галлия