2.1 Оптическое поглощение

При действии электромагнитного излучения с полупроводником, происходит взаимодействие квантов энергии в обеими подсистемами - атомной и электронной, составляющими кристалл.

Изменение интенсивности электромагнитного излучения, падающего на полупроводник, можно описать законом Бугера-Ламберта:

,(1)

где J - интенсивность электромагнитного излучения на расстоянии x от поверхности; J₀ - интенсивность падающего на полупроводник излучения; б - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения показывает вероятность поглощения кванта энергии на расстоянии в единицу длины [б] = [м^-1].

Под действием электромагнитного излучения в полупроводниках образуются неравновесные носители заряда вследствие электронно-дырочных переходов, приведенных на рисунке 2. Переход типа 1 соответствует собственному поглощению вещества, в результате которого образуется пара свободных носителей заряда, а именно, электрон и дырка. Такое возбуждение называется биполярным. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, возбужденные электромагнитным излучением, переходят на уровни с более высокими энергиями (2, 2а рисунок 2). Данное поглощение называется поглощением на свободных носителях заряда. В результате поглощения фотонов примесными атомами и несовершенствами кристаллической решетки, которые образуют энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, происходят переходы типа 3 и 4. Переходы электронов с примесного уровня в зону проводимости (3) или из валентной зоны на примесный уровень (3а) представляют собой примесное поглощение. Переходам 5, 5а на рисунке 2 соответствует поглощению на экситонах.

Возбужденные светом избыточные электроны и дырки участвуют в процессе электропроводности полупроводника до тех пор, пока не рекомбинируют или не будут захвачены на локальный энергетический уровень.

Спектр оптического поглощения полупроводника зависит от многих факторов, таких как длина волны, частота излучения, концентрация центров поглощения.

Под центрами поглощения понимают свободные и связанные носители заряда, дефекты кристаллической решетки, примесные и собственные атомы.

Рисунок 3 иллюстрирует зависимость коэффициента поглощения полупроводника от длины волны излучения.

I Собственное поглощение. Собственное поглощение соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости область 1. Для реализации такого перехода необходимо, чтобы энергия поглощенных квантов была бы равна или больше ширины запрещенной зоны полупроводника . На энергетической зонной диаграмме полупроводника, рисунок 4, показана реализация этого процесса.

Область собственного поглощения полупроводников находится либо в видимой области, либо в инфракрасной области спектра поглощения. Граничная длина волны, соответствующая собственному поглощению, определяется по формуле:

,(2)

где h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; в эВ.

Следовательно, граничная частота, соответствующая собственному поглощению, определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. Коэффициент поглощения бна прямых переходах примерно равен 10⁸ м^-1.

При собственном поглощении различают прямые и непрямые переходы электронов, показанные на рисунке 5.

Прямые переходы электронов называются вертикальными переходами. Для таких переходов необходимы энергии квантов большая или равная ширине запрещенной зоны.

Непрямые переходы осуществляются между максимумом валентной зоны и минимумом зоны проводимости, область 2 на рисунке 5. Для реализации таких переходов необходимы дополнительные затраты энергии, которые черпаются из энергии кристаллической решетки - фононов. Таким образом, для осуществления поглощение на непрямых переходах электронов необходимо совместное участие квантов тепловой и световой энергий, поэтому поглощение на непрямых переходах смещается в коротковолновую область спектра по отношению к поглощению на прямых переходах. Вероятность непрямых переходов мала, так как для их реализации необходимо, чтобы фонон и электрон оказались бы в одной точке пространства, поэтому коэффициент поглощения б на непрямых переходах невелик и составляет 10⁵ м^-1.

II Поглощение на примесях. Данному поглощению соответствует область 3 на рисунке 3. Оно реализуется за счет перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Граничная длина волны поглощения соответствует энергии примесного уровня (б_гр~E_пр). Учитывая, что энергия примесного уровня много меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, то область примесного поглощения смещается в инфракрасную область спектра. При этом плотность состояний на примесных уровне много меньше эффективной плотности состояний в зоне проводимости (в валентной зоне) по абсолютной величине, поэтому коэффициент поглощения на примесях на несколько порядков меньше собственного. В спектре поглощения могут присутствовать отдельные полосы, связанные с возбуждением примесных атомов (область 4 на рисунке 3).

III Поглощение на экситонах. Возбужденное состояние основного атома также реализуется, когда электрон не отрывается от него, а лишь переходит на один из незаполненных уровней. Такое состояние получило название экситонного (от английского слова exitation - возбуждение). Отличие экситонного состояния от возбужденного состояния примесного атома заключается в том, что энергия кристалла не зависит (в силу трансляционной симметрии, т.е. эквивалентности одинаковых точек разных ячеек) от того, какой из атомов возбужден, поэтому возбужденное состояние может перемещаться по всему кристаллу. В результате этого образуются зоны экситонных состояний. Движение экситонов не создает электрического тока, так как перемещается не электрон, а лишь возбужденное состояние атома. Экситон можно представить как совместное движение электрона и дырки, связанных кулоновскими силами и вращающихся вокруг общего центра тяжести; кроме этого, такая пара может поступательно перемещаться по всему кристаллу.

На образование экситона - возбуждение атома требуется меньшая энергия, чем на его ионизацию, поэтому экситонные линии лежат в спектре поглощения справа от основной полосы, т. е. в области меньших частот и энергий. Экситонновому поглощению соответствует область 2 на рисунке 3.

IV Поглощение кристаллической решеткой, область 5 на рисунке 3. Часть поглощенной энергии может тратиться на увеличение колебательной энергии кристаллической решетки. В результате появляются узкие полосы в инфракрасной области спектра. Для ионных кристаллов наблюдается сильное поглощение в далекой инфракрасной области.

V Поглощение на носителях заряда. Данному виду поглощения соответствует область 6 на рисунке 3. Он реализуется при переходе электронов с одних энергетических уровней на другие в пределах энергетической зоны. Спектр поглощения свободными носителями заряда сплошной и находится в длинноволновой инфракрасной области спектра.