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02 - Effeto Franz Keldysh

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Consideriamo la struttura a bande di un semiconduttore bulk a band gap diretto in assenza di campo elettrico applicato. Perchè una transizione dalla banda di valenza a quella di conduzione abbia luogo, è necessario un fotone con energia maggiore di $ E_{g}$ .Applicando un campo elettrico, vedi figura 1, le bande si piegano; in tali condizioni, un fotone con $ E_{ph}<E_{g}$ può virtualmente portare l'elettrone molto vicino al limite della banda di conduzione; a questo punto, l'elettrone viene promosso alla banda di conduzione grazie a un suo ulteriore movimento nello spazio reale reso possibile dal tunneling attraverso una barriera di potenziale sottile e verosimilmente bassa. Tale processo prende il nome di Effetto Franz-Keldysh (FKE).

Figura 1: Franz Keldysh Effect
\includegraphics[angle=0]{teoria/Franz_Keldysh_Effect.eps}

Da un punto di vista macroscopico, l'applicazione di un campo elettrico esterno permette a un materiale di assorbire fotoni aventi energia più bassa del limite di assorbimento $ E_{g}$ . Al di sotto del limite di assorbimento esiste un intervallo di energia dove l'assorbimento $ \alpha \approx 0$ senza campo applicato, ma $ \alpha » 0$ in presenza di un campo applicato; in questa gamma di lunghezze d'onda la modulazione della luce può essere effettuata applicando alla regione di assorbimento del dispositivo una tensione grande abbastanza da indurre un campo elettrico opportuno. Il profilo di assorbimento indotto dal FKE in presenza di campo elettrico è qualitativamente mostrato in figura 2. Le oscillazioni sono tali per cui, applicando o meno un campo elettrico, le aree sotto alle curve di $ \alpha$ sono uguali. L'FKE è tipicamente piuttosto debole, e richiede campi elettrici dell'ordine $ E >10^{5}$ V/cm per ottenere significative variazioni di $ \alpha$ ; è otticamente a banda piuttosto larga e insensibile alla polarizzazione.

Figura 2: Profilo assorbimento FKE
\includegraphics[angle=0]{teoria/Profilo_assorbimento_FKE.eps}

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