ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Поглощение света кристаллами из "Физика твердого тела " Таким образом, полный спектр поглощения твердого тела складывается из спектров поглощения, связанных с действием различных механизмов. В разных спектральных интервалах преобладают те или иные механизмы поглощения. [c.307] что при взаимодействии света с электронами твердого тела должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. Требование выполнения этих законов приводит к тому, что почти во всех механизмах поглощения света, связанных с различными электронными (или дырочными) переходами, принимают участие фононы. Это происходит потому, что значительное изменение импульса электронов в некоторых переходах не может быть обусловлено малыми импульсами фотонов, поглощенных при этих переходах. Это изменение импульса достигается за счет участия в процессе поглощения фононов, которые могут иметь достаточно большой импульс. [c.307] Рассмотрим более подробно различные механизмы поглощения света на примере полупроводников. [c.307] Собственное поглощение. Оно связано с переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. Выше уже отмечалось, что в идеальном полупроводнике при 7 = 0К валентная зона заполнена электронами полностью, так что переходы электронов под действием возбуждения в состояние с большей энергией в этой же зоне невозможны. Единственно возможным процессом здесь является поглощение фотона с энергией, достаточной для переброса электронов через запрещенную зону. В результате этого в зоне проводимости появляется свободный электрон, а в валентной зоне—дырка. Если к кристаллу приложить электрическое поле, то образовавшиеся в результате поглощения света свободные носители заряда приходят в движение, т. е. возникает фотопроводимость. Таким образом, для фотонов с энергией hv ZEa полупроводник прозрачен (т. е. фотоны не поглощаются). В области малых длин волн (т. е. больших hv) имеет место сплошной спектр интенсивного поглощения, ограниченный более или менее крутым краем поглощения при hv Eg. Для большинства полупроводников этот край находится в инфракрасной области спектра. В зависимости от структуры энергетических зон межзонное поглощение может быть связано с прямыми или непрямыми оптическими переходами. [c.307] Эти соотношения показывают, что электроны с определенным волновым вектором в процессе взаимодействия с фотонами переходят в состояния, расположенные в более высокой зоне, и при этом волновой вектор (или квазиимпульс) сохраняется. Такие переходы получили название прямых или вертикальных. Для полупроводника, имеющего энергетические зоны, подобные изображенным на рис. 9.2,а, поглощение должно быть сильным при hv Eg и достаточно резко спадать при hv .Eg. [c.308] Из формулы (9.12) видно, что в случае прямых переходов не должно быть поглощения фотонов с энергией меньше Eg. Поэтому край собственного роглощения должен быть очень резким. Действительно это имеет место, например, у очень чистых монокристаллов антимонида индия. [c.309] Энергия фотона, необходимая для перевода электрона через запрещенную зону, составляет /iv fg+ ф при испускании фоно-на с энергией Еф и hv Eg—Еф при поглощении фонона. [c.309] Вероятность непрямых переходов значительно меньше вероятности прямых переходов, поскольку в них участвует большее число частиц (электрон, фотон, фонон). Поэтому поглощение, обусловленное непрямыми переходами, является более слабым, чем поглощение, связанное с прямыми переходами. [c.309] Экситонное поглощение. До сих пор мы рассматривали поглощение света, приводящее к образованию свободных электронов и дырок. Однако возможен и другой механизм поглощения, при котором электрон валентной зоны переводится в возбужденное состояние, но остается связанным с образовавшейся дыркой в водородоподобном состоянии. Энергия образования такого возбужденного состояния, называемого экситоном, меньше ширины запрещенной зоны, поскольку последняя есть не что иное, как минимальная энергия, требуемая для создания разделенной пары. Экситон может перемещаться в кристалле, но фотопроводимость при этом не возникает, так как электрон и дырка движутся вместе. Экситоны могут достаточно легко возникать в диэлектриках, так как D них кулоновское притяжение электрона и дырки значительно. В полупроводниках это притяжение мало и поэтому энергия связи экситона также мала. Вследствие этого экситонные орбиты охватывают несколько элементарных ячеек кристалла (радиус орбиты - 15 нм). В металлах экситонное поглощение очень маловероятно. [c.310] Здесь с — скорость света в вакууме п — показатель преломления среды. [c.311] Кроме неселективного может наблюдаться также и селективное поглощение свободными носителями. Оно приводит к возникновению сравнительно узких полос поглощения. [c.311] Валентная зона большинства полупроводников состоит из трех подзон, разделенных за счет спин-орбитального взаимодействия (рис. 9.5). Поэтому в полупроводниках, где вершина валентной зоны занята дырками, возможны три типа переходов, связанных с поглош,ением фотонов. На рис. 9.5 они изображены стрелками а, Ь, с. Для таких прямых переходов выполняются правила отбора. [c.312] Примесное поглощение наблюдается в полупроводниках и диэлектриках, содержащих примесные атомы. В этом случае поглощение света связано с возбуждением примесных центров или с их ионизацией. Например, в материале л-типа электроны с донорных уровней могут быть возбуждены в зону проводимости. Если доноры (или акцепторы) вносят в запрещенную зону мелкие уровни, то наблюдать примесное поглощение можно лишь при достаточно низких температурах. Действительно, в области высоких температур все эти уровни ионизованы за счет термического возбуждения. Так как энергия ионизации примесных уровней меньше, чем энергия, требуемая для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то полосы примесного поглощения лежат за краем собственного поглощения. [c.312] Решеточное поглощение наблюдают в ионных кристаллах или в кристаллах, в которых связь между атомами в какой-то степени является ионной (например, в бинарных полупроводниках InSb, GaAs и т. д.). Такие кристаллы можно рассматривать как набор электрических диполей. Эти диполи могут поглощать энергию электромагнитного (светового) излучения. Наиболее сильным поглощение будет тогда, когда частота излучения равна частоте собственных колебаний диполей. Поглощение света, связанное с возбуждением колебаний кристаллической решетки, называют решеточным. Решеточное поглощение наблюдают в далекой инфракрасной области спектра. [c.312] Закон сохранения квазиимпульса требует участия фононов в решеточ Ном поглощении. Действительно, поглощаться могут только такие фотоны, импульс которых равен квазиимпульсу фононов. Импульс фотона /гД пренебрежимо мал по сравнению с квазиимпульсом фонона, который может достигать значения hja. Закон сохранения квазиимпульса выполняется только в случае, если испущены два или более фонона. Все это приводит к весьма сложной структуре спектра решеточного поглощения. [c.312] Изучение спектров поглощения дает обширную информацию о структуре энергетических зон твердых тел, примесных и дефектных состояниях, колебаниях решетки. [c.313] Вернуться к основной статье