Saltar al contenido principal
LibreTexts Español

8.1: Dinámica de portadora y propiedades de saturación

  • Page ID
    84807
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Hay una rica dinámica de portador ultrarrápida en estos materiales, que puede explotarse favorablemente para el diseño de absorbedores saturables. La dinámica de portadores en semiconductores a granel ocurre en tres escalas de tiempo principales (ver Figura 8.4 [5]). Cuando se generan pares electrón-hueco, esta excitación puede considerarse como un sistema equivalente de dos niveles si se descuida la interacción entre los portadores, lo cual es una suposición muy aproximada.

    2021-06-17 8.13.26.png
    Figura 8.4: Dinámica del portador en un material semiconductor a granel. Se pueden distinguir tres escalas de tiempo. I. Dinámica portadora coherente, que a temperatura ambiente puede durar entre 10-50 fs dependiendo de la densidad de excitación. II. Termalización entre los portadores debido a la dispersión portador-portador y enfriamiento a la temperatura de la red por emisión de Lo-fonón. III. Atrapamiento o recombinación de portadores [5]. Figura por MIT OCW.

    Existe un régimen coherente (I) con una duración de 10-50 fs dependiendo de las condiciones y del material. Luego, en la fase (II), la dispersión portador-portador se establece y conduce a la destrucción de la coherencia y termalización del electrón y gas hueco a alta temperatura debido a la excitación de los portadores altos en la banda de conducción o valencia. Esto suele ocurrir en una escala de tiempo de 60 - 100 fs. En una escala de tiempo de 300fs - 1ps, el gas portador caliente interactúa con la red principalmente emitiendo lo-fonones (37 MeV en GaAs). El gas portador se enfría a la temperatura de la red. Después de los procesos de termalización y enfriamiento, los portadores se encuentran en la parte inferior de la banda de conducción y valencia, respectivamente. Los portadores desaparecen (III) ya sea al quedar atrapados en estados de impurezas, lo que puede ocurrir en una escala de tiempo de 100 fs - 100 ps, o recombinarse sobre centros de recombinación o por radiación en una escala de tiempo de nanosegundos. La vida útil de los portadores en semiconductores III-VI puede alcanzar varias decenas de nanosegundos y en semiconductores indirectos, como el silicio o el germanio, la vida útil puede estar en el rango de milisegundos. La vida útil del portador se puede diseñar en un amplio rango de valores de 100 fs a 30 ns, dependiendo de las condiciones de crecimiento y la pureza del material. Un crecimiento especial a baja temperatura que conduce a la formación o centros de captura y recombinación, así como al bombardeo iónico, puede resultar en vidas muy cortas [9]. La Figura 8.5 muestra una respuesta típica de sonda de bombeo de un absorbedor saturable semiconductor cuando se excita con un pulso de 100 fs de largo. El comportamiento bitemporal típico proviene de la termalización rápida (quema de agujeros espectrales) [7] y el enfriamiento del portador y los lentos procesos de captura y recombinación.

    2021-06-17 8.14.20.png
    Figura 8.5: Respuesta de la sonda de bombeo de un espejo absorbente saturable semiconductor con un absorbedor saturable InGaAs de múltiples pozos cuánticos cultivado a baja temperatura [3]. Figura por MIT OCW.

    Con la fórmula para la intensidad de saturación de un sistema de dos niveles Ecuación (2.4.7), podemos estimar un valor típico para la fluencia de saturación\(F_s\) (densidad de energía de saturación) de un absorbedor semiconductor para transiciones entre bandas. La fluencia de saturación\(F_A\), también relacionada con la sección transversal de absorción\(\sigma_A\), viene dada por

    \[F_A = \dfrac{hf}{\sigma_A} = I_A \tau_A = \dfrac{\hbar^2}{2T_2Z_F |\bar{M}|^2} \nonumber \]

    \[= \dfrac{\hbar^2 n_0}{2T_2 Z_{F0} |\bar{M}|^2} \nonumber \]

    El valor para el momento dipolar para las transiciones entre bandas en semiconductores III-V es de aproximadamente\(d = 0.5\) nm con poca variación para los diferentes materiales. Junto con un tiempo de desfase del orden de\(T_2 = 20\) fs y un índice de refracción lineal\(n_0 = 3\), obtenemos

    \[F_A = \dfrac{\hbar^2 n_0}{2T_2 Z_{F0} |\bar{M}|^2} = 35 \dfrac{\mu J}{cm^2} \nonumber \]

    La Figura 8.6 muestra la medición de fluencia de saturación y la traza de sonda de bombeo con pulsos de excitación de 10 fs a 800 nm en un absorbedor saturable semiconductor GaAs de banda ancha basado en un espejo metálico mostrado en la Figura 8.7 [11]. La traza de la sonda de bombeo muestra un tiempo de termalización de 50 fs y un largo tiempo de blanqueo de la absorción recuperándose en una escala de tiempo de 50 ps debido al atrapamiento y recombinación.

    Imagen eliminada debido a restricciones de derechos de autor. Por favor vea: Jung, I. D., et al. “Espejos absorbedores saturables semiconductores que soportan pulsos sub-10 fs”. Física Aplicada B 65 (1997): 137-150. Figura 8.6: Mediciones de fluencia de saturación y sonda de bombeo con pulsos de 10 fs en un absorbedor saturable GaAs basado en espejo metálico de banda ancha. Los puntos son valores medidos y la línea continua es el ajuste a una característica de saturación de dos niveles [11].

    Un valor típico para la fluencia a la que se observan daños en un absorbedor es del orden de unos pocos\(\text{mJ}/\text{cm}^2\). Saturar un absorbedor por un factor de 10 sin dañarlo aún es posible. El umbral de daño depende en gran medida del crecimiento, diseño, fabricación y montaje (disipación de calor) del absorbedor.

    Imagen eliminada debido a restricciones de derechos de autor. Por favor vea: Fluck, R., et al. “Absorbedor saturable de banda ancha para generación de pulsos de 10 fs” Letras Ópticas 21 (1996): 743-745. Figura 8.7: Absorbedor saturable de GaAs cultivó una oblea de GaAs y se transferyó a un espejo metálico mediante procesamiento posterior al crecimiento [10].


    This page titled 8.1: Dinámica de portadora y propiedades de saturación is shared under a CC BY-NC-SA 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by Franz X. Kaertner (MIT OpenCourseWare) via source content that was edited to the style and standards of the LibreTexts platform; a detailed edit history is available upon request.