1

Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen

hxp Die Unschärferelation (Heisenberg):

cph

phcE

p

h

chhE

htEhxc

Ehxp

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Wellenpakete

2

Spontane und stimulierte Emission des Lichtes

Spontane Emission

Breite Winkelverteilung der emittierten Photonen

Das Frequenzspektrum ist breit

Die Photonen sind nicht kohärent (Phasenverschiebung)

Stimulierte Emission – verlangt wird:

Enge Winkelverteilung der emittierten Photonen

Schmales Frequenzspektrum (eine gut definierte Frequenz)

Gute Kohärenz der Photonen (keine Phasenverschiebung)

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Laser – light amplification by stimulated emission of radiation

1. Ein Elektron geht auf eine niedrigere Energieebene über.

2. Das erste emittierte Photon (h21) reizt ein zweites Elektron an, die Energie auch zu senken.

3. Weil es sich um gekoppelte Prozesse handelt, haben die Photonen die gleiche Phase (sind kohärent).

4. Die Photonen haben immer noch eine breite Winkelverteilung.

4

Prinzip von LaserEinschränkung des Winkelbereiches

Verbesserung der Kohärenz (der Emissionszeit)3-Stufen-Laser und 4-Stufen-Laser

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6

Helium-Neon-Laser Polarisation des Lichtes beim

Brewster Winkel

Zusätzliche Monochromatisierung

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Halbleiter Laser

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Halbleiter LaserDirekte und indirekte Bandübergänge

Direkt: der Energieverlust der Elektronen ist nur in die Energie der emittierten Photonen umgewandelt

Indirekt: der Energieverlust ist mit Änderung des Impulses (oder des k-Vektors) verbunden Emission eines Phonons (Wärme).

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Halbleiter LaserWellenlänge des emittierten Lichtes in Halbleitern mit direktem Bandübergang

Absorption des Lichtes im GlasMinimum bei 1.3 m und 1.55 m

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Halbleiter LaserWellenlänge des emittierten Lichtes in Halbleitern mit direktem Bandübergang

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Photolumineszenz von GaInNAs(Sb)

III a: Ga, In

V a: N, As, Sb

Anwendungen

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 10 GHz, 1.3 µm Kommunikationstechnik, Raman-Spektroskopie

Optischer Verstärker für den Frequenzbereich 1.2 – 1.6 µm

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Homo- und HeterostrukturenHomostrukturen: Gleiche Materialien für n und p Bereich, unterschiedliche Dotierung

Heterostrukturen: Unterschiedliche Materialien mit abgestimmter Kristallstruktur und Eigenschaften

Nur ein Teil des p-n Überganges ist genutzt. Im sonstigen Teil werden die Elektronen absorbiert solche Laser müssen gekühlt werden

Unterschiedlicher Brechungsindex für einzelne Materialien. Diese Struktur wirkt als „waveguide“.

Nachteil: große Winkeldivergenz des Lichtstrahles (20° 40°)

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Quantenstrukturen

„Quantum dots“ und „quantum wires“

Ausbildung neuer (zusätzlicher) Energieebenen, wie in einem dotierten Halbleiter

Quantenpunkte

Sehr dünne Schichten (dots) zwischen relativ dicken Schichten (spacer)

Oberflächenspannung selbst geordnete Strukturen (Punkte) sind energetisch günstiger

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QuantenstrukturenWerkstoffe: InAs/AlAs, InAs/InSb, …, Mischkristalle

Kristallstruktur: kubisch, Raumgruppe F-43m

Unterschiedliche Gitteparameter Eigenspannungen im Kristallgitter Ordnung der Quantenpunkte

a (InAs) = 6.058 Åa (InSb) = 6.4782 Åa (GaSb) = 6.095 Åa (GaAs) = 5.6538 Å

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Materialien für selbst geordnete Halbleiterstrukturen

Al … 3s2, 3p1

Ga … 4s2, 4p1

In … 5s2, 5p1

Si … 3s2, 3p2

Ge … 4s2, 4p2

P … 3s2, 3p3

As … 4s2, 4p3

Sb … 5s2, 5p3

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Quantenstrukturen

Ausbildung von atomaren Stufen

Materialien: Ge/Si, Si1-xGex/Si

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Zustandsdichte im Leitungsband (CB) und Valenzband (VB) für

eine zweifache Heterostruktur (DH),

einen Quantentopf (QW)

einen Quantendraht (QWi)

eine Quantenbox (QB)

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QuantenstrukturenUntersuchungsmethoden

AFM (atomic force microscopy)

STM (scanning tunneling microscopy)

TEM (Transmissionselektronenmikroskopie)

SEM (Rasterelektronenmikroskopie)

Röntgenbeugung

Elektronenbeugung

Röntgenstreuung

Anwendung

Photodioden

Laser

Schnelle Transistoren

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Optische Speicherelemente

CD-ROM: Compact Disc Read Only Memory

Höhe der „Stufen“ = /4

Phasenverschiebung zwischen der einfallenden Welle und der reflektierten Welle = /2 destruktive Interferenz

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