1.2. Основные механизмы поглощения излучения

При рассмотрении взаимодействия фотонов с полупроводником выделяют несколько основных механизмов поглощения.

1. Собственное (фундаментальное) поглощение. Этот вид поглощения обусловлен взаимодействием квантов света с атомами основного вещества, например, кремния или германия, и потому называется собственным. Он имеет место при энергии кванта, равной или больше ширины запрещенной зоны полупроводника: .

2. Примесное поглощение. Данный вид поглощения имеет место, если энергия кванта равна или несколько превышает энергетические зазоры между зоной разрешенных энергий и уровнями примеси донорного (E_d ) или акцепторного (E_a ) типа: или . При этом будет наблюдаться переход электронов с примесного донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на примесный акцепторный уровень, т.е. энергия кванта излучения идет не на возбуждение атомов основного вещества, а на ионизацию примесей в нем.

3. Поглощение свободными носителями заряда. В этом виде поглощения квант сталкивается со свободным электроном или дыркой и, как в случае соударения с атомами, передает подвижной частице свою энергию и квазиимпульс. Приобретенный электроном при соударении квазиимпульс ускоряет носители заряда в направлении падающего света. В результате действия этого вида поглощения создается направленный поток свободных носителей заряда.

4. Решеточное поглощение. В этом случае квант света взаимодействует с колебаниями решетки (фононами); результатом этого является увеличение количества оптических фононов кристаллической решетки.

5. Экситонное поглощение света характерно тем, что энергия поглощаемого излучения идет на образование специфического комплекса – экситона: связанной пары «электрон – дырка», когда рожденные светом частицы не разлетаются в разные стороны, а остаются рядом до момента их рекомбинации.

6. Плазменное поглощение света. Этот вид поглощения обусловлен совокупностью электронов и дырок. Энергия поглощаемых фотонов идет на возбуждение плазменных колебаний, связанных с распределением зарядов в объеме проводника.

7. Внутризонное поглощение наблюдается только в полупроводниках со сложной структурой валентной зоны или зоны проводимости и связано с переходом электронов (дырок) из одного состояния E(k) в другое, отличающееся эффективной массой (энергией).

Из приведенного рассмотрения физических процессов, определяющих взаимодействие оптического излучения с твердым телом, следует, что спектр поглощения должен зависеть от внешних воздействий на полупроводник, которые способны изменить состояние основных и примесных атомов полупроводника, спектр колебаний кристаллической решетки. Такими воздействиями являются температура твердого тела, давление, электрическое и магнитное поле и т.д.

Типичный вид спектра поглощения полупроводника приведён на рис. 2:

Рисунок 2. Типичный спектр поглощения полупроводника 1-собственное поглощение в результате прямых переходов; 2 – собственное поглощение при непрямых переходах; 3, 4 – примесное поглощение; 5 – решеточное поглощение; 6 – поглощение свободными носителями заряда.

• при собственном поглощении (участки 1 и 2 спектра) происходит разрыв валентной связи и переход электрона из заполненной зоны в зону проводимости под действием кванта света. Эта часть спектра имеет четко выраженную "красную" границу, которая для большинства полупроводников приходится на видимую или инфракрасную области оптического диапазона. Граница собственного поглощения сдвигается в красную область при увеличении температуры, уменьшении концентрации примесей, возрастании внешнего электрического поля. Абсолютное значение коэффициентов поглощения достигает 10⁶ см^-1.

• примесное поглощение (области 3, 4 спектра) связано с ионизацией атомов примеси. Поскольку энергия ионизации примеси меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, примесное поглощение проявляется в инфракрасной области спектра, а величина коэффициента поглощения обычно не превышает 10³ см^-1 и уменьшается с увеличением температуры.

• экситонное поглощение возможно, если в валентной зоне возбуждается электрон, образуя с дыркой связанную кулоновским взаимодействием пару – экситон. Влияние экситонного поглощения на электропроводность полупроводника может быть только косвенным (не показано на рисунке).

• спектр решеточного поглощения (область 5) расположен в дальней инфракрасной области и сопровождается повышением температуры полупроводника.

• поглощение энергии свободными носителями (область 6) сопровождается энергетическими переходами последних в пределах разрешенных зон, что дает непрерывный спектр поглощения в инфракрасной области.

В полупроводниковых фотоприборах чаще всего используются эффекты, связанные с собственным поглощением света.