Оптична нестабільність кристалів (стр. 3 из 8)
Нелінійність спектрів поглинання, як свідчать численні експерименти, пояснюється екситонними процесами формування відповідних спектрів. Тут, форма краю фундаментального поглинання у значній мірі визначається кулонівською взаємодією електронів і дірок, яка призводить до утворення екситонних максимумів в спектрі поглинання і до суттєвого збільшення коефіцієнта поглинання поблизу краю [8]. В тому випадку, коли в напівпровіднику висока концентрація вільних носіїв струму, то кулонівська взаємодія екранується і відповідно змінюється форма краю поглинання. На рис. 7 приведені експериментальні залежності коефіцієнта поглинання Gе при прямих оптичних переходах від концентрації дрібних донорів (тобто від концентрації електронів в умовах експерименту).
Рис. 6. Спектр поглинання германія для декількох концентрацій домішок 
(при Т = 77 К): 1 – 3 
1013 см-1; 2 – 2 1015 см-1; 3 – 1 1016 см-1; 4 – 2 
1017 см-1; 5 – 1.5 1018 см-1; 6 – спектр поглинання чистого германія
Відносна зміна поглинання особливо суттєва в області екситонного максимуму, який практично зникає при концентрації електронів
см-3, що відповідає виконанню умови 
де 
- радіус екранування, 
- боровський радіус екситона [9]. Якщо інтенсивність падаючого на напівпровідник випромінювання з енергією кванта 
значна, то створена цим випромінюванням концентрація нерівноважних носіїв може виявитися достатньою, щоб заекранувати кулонівську взаємодію електронів і дірок. В цьому випадку повинно спостерігатися зменшення коефіцієнта поглинання по відношенню до коефіцієнта поглинання випромінювання того ж спектрального складу, але малої інтенсивності. Цей ефект насичення поглинання, експериментально спостерігається в області екситонного резонансу і розглядався в [9]. 
Рис. 7. Спектри лінійного поглинання (Т=300К): а – GaAs; б - GaAs–AlGaAs
Ефект насичення поглинання при не дуже значних І обумовлений екрануванням кулонівської взаємодії електрона і дірки нерівноважними носіями [9]. Насичення поглинання при фотопереходах з домішковим центрів в одну із дозволених зон і при фотопереходах між підзонами валентної зони може бути використано для отримання ОБ [10]. В обох випадках насичення поглинання, в основному, обумовлено виснаженням початкових станів, з яких ідуть фото переходи.
Рис. 8. Схема оптоелектронного насичуючого поглинача
Рис. 9. Залежність коефіцієнта поглинання 
, насичуючого поглинача, від падаючої на його робочу частину, потужності випромінювання Р0
Рис. 10. Залежність Рпрох від Р0: 1 – L = 200 мкм; 2 – L = 500 мкм
1.4 Моделі нестабільних напівпровідникових пристроїв
1.4.1 Модель резонаторного нестабільного пристрою
Явище оптичної нестабільності лежить в основі створення оптичних бістабільний пристроїв. ОБ, яка обумовлена зміною показника заломлення при динамічному ефекті Бурштейна-Мосса, може спостерігатися при використанні резонатора [9].
Як джерело випромінювання використовувався CO-лазер, енергія квантів світла якого, в умовах експерименту, була дещо меншою за ширину забороненої зони InSb. Результати експерименту для резонатора із InSb (L=200мкм) при 77 К приведені на рис. 11. Вперше ОБ, за рахунок зміни показника заломлення при насиченні поглинання в області екситонного резонансу спостерігалася при низьких температурах в експериментах з резонаторами із GaAs.
Рис. 11. Ефект резонаторної ОБ, зареєстрований експериментально
При кімнатній температурі оптична НЕСТАБІЛЬНІСТЬ, зв’язана із зникненням екситонного резонансу, спостерігалася в експериментах з резонаторами із CdSe [10].
1.4.2 Нестабільні оптичні пристрої на напівпровідникових кристалах
Зображений на рис. 12, оптичний бістабільний пристрій формується із фотодіоду (ФД) і лазерного діоду (ЛД), розміщених на напівпровідниковій підкладці 1 [11].
Комбінація шарів фотодіода і лазерного діода наступна:
1 – n-тип GaAs підкладка;
3 – n-тип шар GaAlAs;
4 – p-тип шар GaAs;
5 – p-тип шар GaAlAs;
6 – p-тип шар GaAs.
Рис. 12. Будова нестабільного оптичного пристрою
Рис. 13. Еквівалентна схема оптичного нестабільного пристрою
Лазерний діод випромінює частину світла
, в прямому напрямку, а частину в зворотному, яка повертається до фотодіоду [11].Як видно, із еквівалентної схеми пристрою, зображеної на рис. 13, додатній полюс джерела живлення під’єднаний до анодного електроду лазерного діоду 9, а від’ємний полюс – до електроду фотодіоду 8. Одночасно, вони з’єднанні із загальним електродом 7.
При опроміненні фотодіоду вхідним світловим сигналом P1, струм у фотодіоді протікає у зворотному напрямку, що створює потік струму в прямому напрямку в лазерному діоді і генерацію випромінювання P0, лазерним діодом [12].
Світло отримане фотодіодом, збільшує струм, а отже підсилює вихідне випромінювання P0 за додатнім оберненим зв'язком.
Інтенсивність вихідного сигналу лазерного діоду зазнає незначного росту, до досягнення деякого граничного значення А вхідного струму, після чого швидко збільшується.
Рис. 14. Залежність вихідної інтенсивності від вхідного струму лазерного діоду
Вихідний струм фотодіода майже пропорційно збільшується, аж до досягнення певного значень B вхідної інтенсивності і як тільки це значення перевищено - струм стабілізується на фіксованому рівні С [13].
Рис. 15. Залежність вихідного струму фотодіода від вхідної інтенсивності
Коли вхідний сигнал P1 досягає певного значення X1, вихідний сигнал P0 швидко зростає до певного максимального рівня. Після чого, вихідний сигнал P0 випромінюється лазерним діодом на стабільному рівні Y, як зображено на рис. 16.
Якщо вхідний промінь P1 зменшується, то вихідний струм фотодіода зазнає зменшення також. Однак частина вихідного сигналу P0 лазерного діода надходить назад до фотодіоду, тому вихідний струм зменшується за малим градієнтом. Коли вхідний сигнал падає нижче значення змінної X2, інтенсивність вихідного світла P0, лазерного діода швидко змінюється від високого до низького рівня. Значення X2 менше ніж X1.
Щоб змінити значення X1 і X2 для умовного оптичного нестабільного пристрою, потрібно змінювати значення величин резисторів R1, R2 і R3.
Отже, після того як опір було обрано і резистори зібрано в ланцюг, змінити значення X1 і X2, надзвичайно важко.
Напруга джерела живлення ділиться на резисторах R1, R2 і R3 та подається на фотодіод у зворотньому напрямку, а на лазерний діод, відповідно, в прямому [14].
Рис. 16. Залежність вихідного струму оптичного нестабільного пристрою від вхідної інтенсивності
Світломодулюючий елемент складається із:
шару GaAs n-типу 13;
шару GaAlAs n-типу 14;
шару GaAlAs p-типу 15.
Рис. 17. Електрична схема оптичного нестабільного пристрою
Рис. 18 та 19 ілюструють модель оптичного нестабільного пристрою, що формується за допомогою світломодулюючого елемента, розміщеного в каналі 2 [14].
На рис. 18, світло, що випромінюється від лазерного діода передається через світломодулюючий елемент зліва на право, відповідно, узгоджено із рівнем напруги між електродами 16 і 17.
