Неравновесная населенность мелких примесных состояний в полупроводниках и усиление излучения длинноволнового инфракрасного диапазона

• Автор: Орлова, Екатерина Евгеньевна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 127 с. : ил

Оглавление
Введение

1 Населенности состояний мелкого примесного центра

1.1 Структура спектра мелких примесных, центров

1.2 Равновесные населенности примесных состояний

1.3 Процессы, формирующие неравновесные населенности примесных состояний .

1.3.1 Оптические переходы.

1.3.2 Взаимодействие с акустическими фононами.

1.3.3 Взаимодействие с оптическими фононами.

, . . л

1.3.4 Взаимодействие с свободными носителями заряда.

1.4 Расчет неравновесных населенностей примесных состояний.
1.4.1 Вероятностный метод описания населенностей примесных состояний .
1.4.2 Квазиклассическое описание населенностей возбужденных примесных состояний.
2 Примесные эффекты в рСе лазере на горячих дырках
2.1 Модель и предположения.
2.2 Расчет населенностей примесных состояний в Се.Са лазере .
2.3 Рекомбинация при спонтанном излучении оптических фононов .
2.3.1 Квазиклассическое приближение
2.3.2 Приближение плоских волн
2.3.3 Учет рассеяния свободных носителей на примесном потенциале
2.3.4 Влияние рекомбинации с излучением оптических фононов на
распределение свободных носителей.
2.4 Каскадная ударная ионизация .
2.4.1 Скорость каскадной Ожерекомбинации
2.4.2 Квазиклассическое описание ударной ионизации.
2.5 Оптическая ионизация.
2.6 Населенность примесных состояний в СеСа лазере
2.7 Обсуждение экспериментальных результатов.
2.8 Влияние типа легирующей примеси на характеритики рве лазера . .
3 Инверсия населенностей и усиление излучения на примесных переходах в БпР
3.1 Время жизни долгоживущего состояния в БиР
3.1.1 Внутридолинные переходы
3.1.2 Междолинные переходы . . .
3.1.3 Рань междодинных переходов во внутрицентровой релаксации .
3.2 Распределение носителей и усиление излучения в условиях оптической накачки при низких температурах.
3.2.1 Населенности нижних возбужденных состояний при оптической
накачке. . . .
3.2.2 Квазиклассическое описание распределения по верхним возбужденным состояниям
3.2.3 Концентрация центров и свободных носителей
3.2.4 Распределение носителей заряда и усиление излучения
3.2.5 Роль поглощения излучения на переходах Ицентров.
3.3 Обсуждение экспериментальных результатов и перспективы
4 Инверсия населенностей и усиление излучения на примесных переходах в ЭкВ
4.1 Населенности верхних возбужденных состояний
4.1.1 Квазиклассическое описание распределения по верхним возбужденным состояниям
4.1.2 Граничное условие для функции распределения
4.1.3 Инверсия населенности верхних возбужденных состояний
4.1.4 Возможность усиления излучения на переходах в состояния 2р
4.2 Населенности нижних возбужденных состояний
4.3 Обсуждение экспериментальных результатов
Заключение
А Вероятности переходов между водородоподобными уровнями при взаимодействии с акустическими фононами
В Средняя вероятность перехода с вырожденного уровня
Список литературы


Матричные элементы переходов между примесными уровнями, которые использовались для расчета захвата с излучением фононов и ударной ионизации, рассчитывались в модели изотропного параболического закона дисперсии [7, , ]. Реальная структура зон в полупроводниках учитывалась при расчете лишь отдельных матричных элементов переходов [9, , , ]. В настоящей работе развит метод, который позволяет рассчитывать населенности примесных состояний с учетом переходов но всей лестнице примесных уровней [А]. При этом число матричных элементов переходов, необходимых для расчета населенности возбужденных примесных состояний, ограничивается на основе анализа вероятностей различных маршрутов переходов носителей заряда. Этот метод дает самосогласованное описание населенностей состояний дискретного и непрерывного спектра. Для анализа неравновесных распределений по примесным состояниям при оптическом возбуждении и полевом разогреве были проведены расчеты скорости рекомбинации с излучением оптических фононов на возбужденные водородоподобные состояния, времен жизни долгоживущих состояний в кремнии. ЭШ. Исследования направлены на поиск новых активных сред, основанных на примесных переходах. Развит метод расчета стационарных неравновесных населенностей возбужденных примесных состояний, основанный на анализе вероятностей различных маршрутов носителей заряда по примесным уровням, позволяющий согласованно описывать населенности состояний дискретного и нещюрывного спектра, учитывая переходы по всей лестнице примесных состояний. Впервые рассчитана скорость рекомбинации при излучении оптических фононов на возбужденные состояния водородоподобиого примесного центра. Теоретически обоснован эффект аномально большой заселенности примесных состояний при разогреве свободных носителей электрическим полем до энергий порядка энергии оптического фонона. Предложен механизм инверсии населенностей и усиления на примесных переходах в нелинейном режиме генерации р-ве лазера на межподзонных переходах горячих дырок, основанный на рекомбинации с излучением оптических фононов и преимущественной фотоионизации основною состояния лазерным излучением. Впервые получены вероятности переходов при взаимодействии с фононами между состояниями мелких донорных центров с учетом многодолинности зоны проводимости, включающие как внутридолинные, так и междолинные переходы. Показано, что вклады междолинных и внутри дол и н н ы х переходов не интерферируют в пределах применимости приближения эффективных масс для примесных состояний. Установлено, что междолинные переходы между примесными состояниями преобладают над внутридолинными, если различие волнового вектора фонона и междолин-ного волнового вектора не превышает локализацию огибающей волновой функции дня отдельной долины в пространстве волновых векторов, и приводят к существенному уменьшению времени жизни доолгоживущего доиориого СОСТОЯНИЯ 2ро кремнии. БііР, и с резонансным взаимодействием состояний 2р0 и 2в в Зі:Ві с оптическими фононами, и анализ условий инверсии и усиления на примесных переходах в отих материалах. БііВі и йігР. Вероятностное описание стационарного распределения носителей заряда по примесным уровням и описания с помощью уравнений баланса эквивалентны. Использование населенностей, рассчитанных вероятностным методом в качестве граничного условия для уравнения Больцмана, позволяет описывать населенности состояний дискретного и непрерывного спектра согласованно. Рекомбинация с излучением оптических фононов на уровни водородоподобного примесного центра в условиях разогрева свободных носителей до энергий порядка энергии оптического фонона может приводить к их аномально большой населенности. Поглощение на примесных переходах может существенно влиять на коэффициент усиления лазера на межподзонных переходах горячих дырок германия. Оптимальные энергии ионизации легирующей примеси для р-Ое лазера лежат в промежутке между максимальной энергией фотона излучения на межподзонных переходах и энергией ионизации, при которой становится существенным рассеяние легких дырок на нейтральных примесных центрах.