Эффект Франца-Келдыша (электроабсорбционный эффект) в полупроводниках

Данный эффект обусловлен искривлением энергетических зон монокристаллического полупроводника в присутствии внешнего электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля, фотон с энергией hν>E_g (E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника) может поглотиться электроном валентной зоны, что приведет к переходу этого электрона в зону проводимости и образованию электронно-дырочной пары. Такой процесс приводит к появлению фундаментальной полосы поглощения на спектре поглощения полупроводника. Искривление энергетических зон полупроводника в присутствии электрического поля приводит к тому, что возникает возможность межзонных переходов при поглощении фотонов с энергией hν<E_g (рис.1). Этот эффект связан с процессом туннелирования возбужденного электрона между состояниями

Р ис.1 Межзонные оптические переходы в полупроводнике в отсутствие (Е=0) и при наличии (Е≠0) внешнего электрического поля

валентной зоны и зоны проводимости через треугольный потенциальный барьер, возникающий при наклоне энергетических зон в присутствии электрического поля. Высота этого треугольного потенциального барьера ΔЕ (см. рис.1) равна:

ΔЕ = e·E·Δx = E_g + ħ²k²/2m – hν

здесь e – заряд электрона; Е – напряженность приложенного электрического поля; k – волновой вектор электрона; m – приведенная масса электронно-дырочной пары.

Для прямых межзонных переходов при энергии фотона hν<E_g зависимость коэффициента поглощения K от напряженности электрического поля задается следующим приближенным выражением:

На рис.2 показан спектр поглощения полупроводника вблизи края фундаментальной полосы поглощения в отсутствие и при наличии

электрического поля. Из рисунка видно, что для фиксированной энергии фотона hν₀ (hν₀<E_g) увеличение электрического поля приводит к увеличению поглощения.

Рис.2. Эффект Франца-Келдыша в полупроводнике

Таким образом, электрооптический эффект Франца-Келдыша приводит к амплитудной модуляции излучения. Данный эффект является практически безынерционным, что позволяет использовать его в быстродействующих оптических переключателях. Времена переключения оптического сигнала в таких устройствах определяются, в основном, быстродействием управляющей электроники и могут составлять 10^-10 с. Для обеспечения сильной модуляции оптического сигнала напряженность электрического поля в полупроводнике должна достигать 10⁵ В/см. Однако, в планарных волноводах, благодаря их малой толщине, управляющее напряжение может составлять всего 5-10 В. Основным недостатком оптических переключателей на основе эффекта Франца-Келдыша является узкая спектральная область их функционирования – вблизи края фундаментальной полосы поглощения полупроводникового материала.