Эффект Франца-Келдыша: поглощение света в электрическом поле

В 1958 году немецкий физик-теоретик Вальтер Франц и независимо от него советский физик Леонид Келдыш предсказали, что край межзонного поглощения света в полупроводнике должен смещаться в красную сторону при включении внешнего электрического поля. Эффект оказался не просто экзотической поправкой к спектру: на нём построена целая ветвь оптоэлектроники - электроабсорбционные модуляторы для оптоволоконных линий связи. Разберём, как поле наклоняет энергетические зоны, почему появляется поглощение фотонов с энергией ниже запрещённой зоны, и как из формулы с функцией Эйри получаются осцилляции, видимые в эксперименте.
Контекст: Franz 1958 и Келдыш 1958
Обе работы вышли в 1958 году почти одновременно. Франц опубликовал статью в Zeitschrift für Naturforschung, Келдыш - в ЖЭТФ. Идея у них была одна и та же: внешнее однородное электрическое поле во много раз меньшее, чем атомное, должно радикально перестраивать спектр поглощения полупроводника вблизи края запрещённой зоны . Никаких новых уровней при этом не появляется, не нужен спин и не нужно квантование - достаточно того, что в наклонной потенциальной яме волновые функции электрона и дырки приобретают «эйриевские» хвосты, заходящие под классический барьер.
К моменту предсказания экспериментальная техника позволяла измерять край поглощения с точностью до милиэлектронвольта. Первые подтверждения пришли уже в начале 1960-х на CdS, GaAs и Ge: красный сдвиг края, степенная зависимость от поля и характерные осцилляции выше - всё совпало с теорией.
Физическая идея: наклон зон
В отсутствие поля зона проводимости и валентная зона идут горизонтально, разделённые щелью . Фотон с энергией поглотиться не может - для него просто нет конечного состояния.
Включаем однородное электрическое поле вдоль оси . К энергии электрона добавляется потенциал , и обе зоны наклоняются:
Теперь между «полкой» валентной зоны на одной координате и «полкой» зоны проводимости на другой расстояние по энергии может быть любым - от до нуля. Прямого перехода между классически разрешёнными областями всё ещё нет (зоны параллельны, разница всё та же в локальном смысле), но появляется новый канал: электрон может оказаться под барьером благодаря туннелированию, а недостающую энергию ему доставит фотон.
Это и есть фотонно-ассистированное туннелирование: фотон с энергией перебрасывает электрон из валентной зоны в виртуальное состояние под зоной проводимости, откуда тот туннелирует на классически разрешённую полку, расположенную сбоку. Чем сильнее поле, тем «короче» барьер, тем выше вероятность.
Подбирая материал (), поле и энергию фотона , удобно сразу прикинуть характеристическую энергию Франца-Келдыша и сдвиг края поглощения. Ниже - собираемый запрос в чат с готовой подстановкой и численным ответом.
Формула поглощения и функция Эйри
Стандартное решение уравнения Шрёдингера в однородном поле даёт волновые функции через функцию Эйри . Подставляя их в матричный элемент межзонного перехода, получаем коэффициент поглощения вблизи прямого края:
где безразмерный параметр выражается через зазор и характеристическую энергию поля:
Здесь - приведённая эффективная масса электрона и дырки. Энергия - это и есть характеристическая «энергия Франца-Келдыша», задающая масштаб всех эффектов поля.
Поведение формулы:
- Подбарьерная область, (). экспоненциально мала, и поглощение спадает как . Это и есть «хвост Франца-Келдыша» - поглощение под щелью, которого в отсутствие поля просто не было.
- Надбарьерная область, (). Функция Эйри осциллирует, и поглощение колеблется вокруг ступеньки , отдаваясь от прямого края. Это осцилляции Франца-Келдыша, по которым в эксперименте удобно вытаскивать и .
Для GaAs при кВ/см и получается мэВ - масштаб, легко разрешаемый обычным спектрометром.
Квантово-удерживаемый эффект Штарка как развитие
В объёмном полупроводнике эффект Франца-Келдыша даёт довольно «размазанный» отклик, и подгонять модулятор под нужную длину волны непросто. В 1984 году Миллер с коллегами в Bell Labs показали, что в квантовых ямах GaAs/AlGaAs всё работает гораздо ярче: связанные экситонные уровни не разваливаются полем сразу, а смещаются вниз по энергии, оставаясь резкими.
Этот вариант называется квантово-удерживаемым эффектом Штарка (QCSE, Quantum-Confined Stark Effect). Формально это уже не Франц-Келдыш - там нет туннелирования в континуум, а есть смещение и перестройка дискретных уровней в яме. Но физически QCSE - естественное развитие идеи: если зажать электрон и дырку в яме шириной 10 нм, поле сместит их в противоположные стороны, дипольный момент включится, а экситон не разорвётся за счёт квантового удержания. Сдвиг края поглощения получается до десятков милиэлектронвольт при умеренных полях, а изменение коэффициента - в разы.
Приложения: модуляторы, фотодетекторы, спектроскопия
Главное практическое применение - электроабсорбционные модуляторы (EAM, Electro-Absorption Modulator) для оптоволоконных коммуникаций. Принцип: лазер фиксированной длины волны светит в волновод на основе InP или GaAs/AlGaAs, к которому приложено меняющееся напряжение. Когда поле включено, край поглощения сдвигается на длину волны лазера, и волновод поглощает свет - на выходе ноль. Когда поле выключено - свет идёт почти без потерь. Современные EAM работают на скоростях до 100 Гбит/с на канал и стоят в основе систем DWDM 1550 нм.
Другие применения:
- Фотодетекторы с электрической настройкой. Меняя поле, можно сдвигать спектр чувствительности - удобно для мультиспектральных датчиков.
- Электроабсорбционная спектроскопия. Сигнал оказывается гораздо более резким, чем сам , и удобно используется для измерения , эффективных масс и обнаружения дефектов в полупроводнике.
- Модулированная электроотражательная спектроскопия. Тот же принцип, но регистрируется отражение, что позволяет работать с непрозрачными образцами.
Типовые материалы - GaAs ( эВ), InP ( эВ), Ge ( эВ для прямого минимума), InGaAsP с подстраиваемой щелью. Кремний, у которого край непрямой, тоже даёт эффект, но он слабее и со своим набором деталей.
Чем эффект Франца-Келдыша отличается от эффекта Штарка
Названия похожи, и оба связаны с электрическим полем - но физика принципиально разная.
- Эффект Штарка - расщепление и сдвиг дискретных уровней (атома, молекулы, экситона) во внешнем электрическом поле. Линейный по полю для систем с дипольным моментом, квадратичный для центросимметричных. Описывается возмущениями к гамильтониану связанного состояния.
- Эффект Франца-Келдыша - изменение коэффициента поглощения между зонами (между континуумами) полупроводника. Дискретных уровней нет, есть наклон зон и туннелирование. Описывается через эйриевские волновые функции в однородном поле.
QCSE - гибрид: технически это эффект Штарка для уровней в квантовой яме, но возникает он именно там, где «обычный» Франц-Келдыш плохо работает.
Частые ошибки
- Путают с эффектом Штарка. Штарк - про связанные уровни, Франц-Келдыш - про межзонное поглощение. В квантовой яме граница размывается и появляется QCSE.
- Забывают приведённую массу. В формулу для входит именно , а не масса свободного электрона.
- Считают, что край поглощения сдвигается на . На самом деле порог не имеет резкой границы, появляется экспоненциальный хвост; «эффективный» сдвиг - порядка , но конкретное число зависит от того, на каком уровне его меряют.
- Применяют теорию к непрямому полупроводнику без модификаций. Для непрямой щели (Si) нужен дополнительный фонон, и формула меняется.
- Игнорируют экситонный вклад. При комнатной температуре в GaAs экситон ещё заметен, и его поле разрушает - это даёт отдельную добавку к спектру.
FAQ
Какое поле нужно, чтобы эффект стал заметен? Для GaAs характеристическая энергия становится порядка нескольких милиэлектронвольт уже при кВ/см и достигает мэВ при кВ/см. В реальных EAM работают полями – В/см, набираемыми обратным смещением p-i-n-структуры.
Можно ли наблюдать эффект в кремнии? Да, но он слабее: у Si непрямая щель, межзонное поглощение требует фонона, и зависимость от поля получается с дополнительным фактором. Большинство учебных задач формулируются для прямозонных материалов - GaAs, InP, Ge (по прямому минимуму).
Чем эффект Франца-Келдыша полезен в спектроскопии дефектов? Поле в окрестности заряженного дефекта неоднородно, и поглощение в этой области отличается от объёмного. Модулируя внешнее поле и измеряя , можно вытащить концентрацию и тип дефектов, плюс уточнить и эффективные массы - спектр получается узким и хорошо моделируется функциями Эйри.
Коротко
Эффект Франца-Келдыша - это сдвиг и размытие края межзонного поглощения полупроводника во внешнем электрическом поле. Поле наклоняет зоны, и волновые функции электрона и дырки приобретают подбарьерные хвосты - фотон с энергией начинает поглощаться через фотонно-ассистированное туннелирование. Коэффициент поглощения описывается через функцию Эйри с параметром , где . Выше края появляются осцилляции, по которым в эксперименте достают и приведённую массу . В квантовых ямах эффект перерастает в QCSE и образует основу для электроабсорбционных модуляторов в оптоволоконных линиях связи на GaAs, InP и InGaAsP.
Читайте также

Гем, железо и протопорфирин IX: строение и биосинтез
Гем — это комплекс железа Fe²⁺ с протопорфирином IX. Разбираем строение тетрапиррольного кольца, восемь ферментов биосинтеза от АЛК до феррохелатазы, регуляцию и порфирии.

Бактериальная эндоспора: структура оболочек послойно
Разбираем, из чего состоит бактериальная эндоспора: структура сердцевины, кортекса и оболочек, роль дипиколината кальция и SASP, почему спора выдерживает жар и высыхание.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела: как читать жизнь звезды
Разбираем, что означают оси светимости и температуры на диаграмме Герцшпрунга-Рассела и как по положению точки понять, какая перед вами звезда и что её ждёт.