Лазерные технологии с момента своего открытия широко применяются в самых разных отраслях науки и техники, а также в быту. Все мы пользуемся лазерными принтерами, лазерными указками, в магазинах используются считыватели штрих-кодов на основе лазерного луча. В медицине с помощью лазеров проводятся сложнейшие операции и многое другое. Наш курс посвящен физическим основам лазерных технологий. Цель курса — дать глубокое понимание физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом и рассмотреть физические проблемы этого взаимодействия. Применение знаний, полученных при изучении курса, будет способствовать повышению эффективности как существующих производств, так и внедрению лазерных технологических процессов в еще не охваченные области промышленности. Курс включает два основных раздела: 1. Физические процессы, происходящие при взаимодействии мощного лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками; 2. Лазерные технологические установки и лазерные технологические процессы. В этом курсе Вы: • узнаете, что статистика Ферми-Дирака, которой подчиняются свободные электроны в металле, накладывает значительные ограничения на процесс поглощения лазерного излучения, • откроете для себя многообразие физических процессов поглощения лазерного излучения полупроводниками, • получат возможность оценить возможность реализации того или иного технологического процесса, • научитесь правильно выбирать и составлять схему установки. В рамках курса Вы познакомитесь не только с принципами работы различных технологических лазеров, но и с недостатками и преимуществами всех используемых активных элементов технологических лазеров, включая самые современные волоконные лазеры. В качестве примера использования лазеров в технологии будет подробно рассмотрена современная лазерная технология в области электроники и создания интегральных схем. Весьма интересным представляется раздел лазерной химии, основанный на резонансном возбуждении атомов и молекул лазерным излучением. Здесь Вы получите новую информацию об уникальных возможностях лазерного излучения для разделения изотопов (включая разделение изотопов в атомной промышленности), получению особо чистых веществ и синтезу новых материалов. По завершении этого курса Вы сможете: 1. объяснить, как проходит процесс взаимодействия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками; 2. выбрать оптимальный тип технологического лазера для осуществления того или иного технологического процесса; 3. построить оптимальную схему лазерной технологической установки; 4. дать рекомендации для оптимизации того или иного технологического процесса; 5. дать рекомендации по внедрению лазерной технологии в различные производства. Чтобы наиболее полно овладеть материалом курса, учащиеся должны знаниями основ физики твердого тела, лазерной физики, квантовой механики и статистической физики
Полупроводниковый механизм
Loading...
From the course by National Research Nuclear University MEPhI
Введение в лазерные технологии
5 ratings
From the lesson
Механизмы поглощения лазерного излучения полупроводниками и диэлектриками
Этот раздел дает глубокое представление о различных механизмах взаимодействия лазерного излучения с собственными и легированными полупроводниками, а также с диэлектриками. Вы узнаете, какие энергетические параметры определяют характер взаимодействия квантов света с полупроводниками и диэлектриками.
Meet the Instructors
Менушенков Алексей ПавловичДоктор физико-математических наук, профессор
Кафедра физики твердого тела и наносистем
В нашем следующем разделе мы рассмотрим
процесс взаимодействия лазерного излучения
с другими средами, с полупроводниками.
Полупроводник по сравнению с металлом
гораздо более сложная энергетическая система,
потому что вы все знаете, что
в полупроводнике существует запрещенная зона,
в которой нет электронных уровней
и поэтому, соответственно, весь спектр
разделяется на две части, спектр
заволненных уровней валентной зоны
и свободных уровней над поверхностью Ферми,
соответственно, в зоне проводимости.
В связи с этим возникает соотношение
между разными энергиями,
гораздо большее соотношение, чем в металле.
Какие здесь у нас появляются сравнения
энергетических характеристик?
Во-первых, так же работает энергия кванта,
энергия кванта лазерного излучения.
Дальше возникает энергетический параметр
ширины запрещенной зоны,
который мы обозначим Eg — стандартное
обозначение для полупроводников.
Затем, полупроводники бывают собственными,
в которых нет примесей и легированными,
в которых есть примеси либо донорные,
когда полупроводник n-типа,
либо акцепторными, когда полупроводник р-типа.
В микроэлектронике все полупроводники
используются легированные, поэтому этот
процесс очень важен для практического применения.
Ну, и, конечно, весьма важный параметр,
особенно для полупроводников, это температура,
то есть энергетическая размазка kT,
где k – константа Больцмана, которая играет
очень серьезную роль при рассмотрении
взаимодействия лазерного излучения с полупроводником.
И так, в зависимости от сравнительных характеристик
этих параметров, полупроводники могут быть
реализованы самые разные процессы поглощения.
Начнем с процесса, который называется
просто полупроводниковым
или полупроводниковый механизм поглощения.
Он реализуется в случае,
если энергия кванта превышает
ширину запрещенной зоны и при этом
температура мала,
это значит, что эти обе величины
существенно больше размазки kT.
Что в этом случае происходит?
Квант света может в этом случае
заставить электрон перепрыгнуть
через запрещенную зону, таким образом
родить электрон дырочную пару.
В зоне проводимости появляется электрон,
в зоне, соответственно, валентной,
возникает свободное место, то есть дырка.
И это электрон-дырочная пара,
естественно может иметь запас
кинетической энергии, если разность между
энергией кванта и соответственно, шириной
запрещенной зоны, достаточно велика.
Эта лишняя часть, лишний запас
энергии кинетической, будет так же как в металле,
передаваться в тепло за счет
электрон-электронного взаимодействия,
то есть будет происходить релаксация электрона
в зоне проводимости, релаксация дырок
в валентной зоне, и эта лишняя энергия
будет передана теплу.
Однако та часть, которая ушла, энергии на
преодоление ширины запрещенной зоны,
она в тепло не уходит.
То есть это уже серьезное отличие
от взаимодействия с металлом, где вся энергия
кванта передавалась, в конце концов, теплу.
Что же дальше происходит?
Дальше происходит несколько процессов,
которые называются процессами рекомбинации.
Электрон-дырочная пара не может существовать бесконечно,
она стремится, так сказать, рекомбинировать,
то есть уничтожиться.
И есть разные типы рекомбинации.
Один из этих типов называется
безызлучательной рекомбинацией.
То есть электрон и дырка взаимодействуют
между собой, аннигилируют
и при этом выделяется тепло.
Таким образом, вот этот весь процесс
приводит к дополнительному нагреву
материалу, полупроводника.
Однако, вероятность такого процесса
не очень велика, она пропорциональна,
всего лишь, концентрации первой степени,
концентрации, вот этих неравновесных носителей,
рожденных квантом света, электрон дырочных пар.
Есть другой процесс, когда
электрон и дырка схлопываются, рекомбинируют,
и при этом испускают квант
уже с другой энергией.
Этот квант уходит с полупроводника, уносит
энергию, и она не уходит в тепло.
Такой процесс называется процессом рекомбинацией,
простой рекомбинацией. Но вероятность его выше.
Она уже пропорциональна второй степени
концентрации вот этих неровновесных дырок и электронов.
Ну и есть третий процесс, который как бы
такой каскадный, последовательный.
Энергия схлопывания дырки и электрона,
если она велика, рождает другую пару
с меньшей энергией. Та пара рождает третью пару.
И предположим, третья пара при рекомбинации
выдает квант света, который тоже уходит
с полупроводника. И вероятность такого процесса
пропорционально уже третьей степени.
Что делают эти процессы?
В конце концов они уменьшают концентрацию
электронов и дырок на границах зоны,
на дне зоны проводимости
и на потолке валентной зоны.
А нас это сильно интересует эта концентрация.
Сейчас я скажу почему.
Интересует, потому что в процессе накопления
рождаются электрон-дырочные пары
поглощения света, плотность мощности велика,
и мы ее можем увеличивать.
Скорость рождения, если посчитать, например,
для плотности мощности 10^7 Вт/см2,
очень большая —10^31 в единицу времени,
единицу объема рождается пар, электронных пар.
И рекомбинировать они не успевают с такой скоростью,
поэтому они накапливаются в зоне проводимости,
дырки накапливаются в валентной зоне —
то есть в полупроводнике создаются
не равновесные свободные носители,
ну почти как носители в металле свободные,
но там они равновесные, а здесь они создаются
светом и они неравновесные.
И поэтому они, в общем, обладают такими же свойствами,
как свободные электроны в металле,
то есть могут поглощать кванты света.
Вот они и поглощают квант света.
Значит, соответственно, в электронной подсистеме
он поднимается вверх по энергии,
в дырочной подсистеме, наоборот, опускается вниз.
И уже запасенная свободными носителями энергия,
за счет релаксации на остальных
свободных носителях передается в тепло.
То есть происходит постепенная смена механизма
из собственного полупроводникового в механизм,
который похож на металлический, поэтому
он и называется индуцированный
металлический механизм поглощения,
потому что возникает он не на равновесных носителях,
а на индуцированных светом носителях.
То есть мы будем наблюдать изменения
в процессе нагрева, смена механизма,
то есть изменение всех параметров, например,
скорости, нагрева и прочее.
Но интересно отметить, что
увеличение концентрации дырок и электронов,
накапливающихся на границе зоны,
оказывает влияние еще один процесс,
который называется процессом амбиполярной диффузией.
Что это такое? Если у нас, где-то там,
в каком-то объеме много чего-то, много газа,
а здесь вакуум и открыть отверстие, то
будет газ перемещаться. Точно так же,
если мы наблюдаем поглощение света
происходит в очень узкой зоне при поверхности,
так называемой области поглощения, которая
является величиной обратной коэффициенту поглощения.
Вот в этой зоне родились у нас
электрон-дырочные пары, их много,
а в объеме их нет.
То есть к чему это приведет?
Это приведет к диффузии, то есть они будут
диффундировать в объем.
Что такое диффундировать в объем с точки зрения
концентрации их в этой области?
Концентрация будет уменьшаться.
Точно также как за счет рекомбинации,
за счет амбиполярной диффузии,
эта концентрация тоже уменьшается,
ну и это надо учитывать. Каким образом?
Процесс, соответственно, поглощения,
который характерен для собственного
чистого полупроводника, в конце концов,
переходит в так называемый процесс индуцированного
металлического поглощения и все это приводит
к нагреву материала.
Explore our Catalog
Join for free and get personalized recommendations, updates and offers.
Coursera provides universal access to the world’s best education,
partnering with top universities and organizations to offer courses online.
© 2019 Coursera Inc. All rights reserved.
