Оптические свойства полупроводников

При прохождении света через вещество, в том числе и через полупроводник, его интенсивность уменьшается, так как некоторая часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или теплового движения атомов кристаллической решетки.

В зависимости от энергии фотонов (квантов света) и ширины запрещенной зоны полупроводника, различают несколько видов поглощения. Наиболее распространенные из них приведены на рис. 7, где на энергетической диаграмме символически показаны различные переходы электронов с одного уровня на другой при облучении светом.

Собственное поглощение

Собственное поглощение имеет место только при условии, что энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны полупроводника: (рис. 7).

Рис. 7. Электронные переходы, иллюстрирующие процессы поглощения света в полупроводнике.

В этом случае при поглощении полупроводником квантов света их энергия передается электронам валентной зоны, которые, в свою очередь, преодолевают запрещенную зону и оказываются в зоне проводимости. В валентной зоне при этом появляется соответствующее количество дырок. На зонной модели (рис. 7) этот вид поглощения иллюстрирует переход 1. Энергия фотонов при этом идет на ионизацию собственных атомов полупроводника, а процесс, который при этом происходит, принято называть фотогенерацией.

Примесное поглощение

При энергии фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, электроны смогут осуществлять переходы с локальных уровней примесей ( ) или с уровней дефектов кристаллической решетки в зону проводимости (переходы 2, 3), или из валентной зоны на примесный уровень в зоне проводимости ( , переход 4). Во всех этих случаях в разрешенных зонах полупроводника появляется только по одному носителю заряда – дырке или электрону. При этом энергия фотонов идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов кристаллической решетки.

Оба вида поглощения: и собственное, и примесное приводят к увеличению электропроводности полупроводника. Все другие виды поглощения не изменяют его электропроводности. Таковыми являются поглощение с переходом электронов с акцепторного уровня на донорный (переход 5), а также поглощения, приводящие к переходу свободных электронов зоны проводимости или электронов валентной зоны на более высокий энергетический уровень внутри зоны (например, переход 6).

Помимо перечисленных видов поглощения в полупроводниках могут происходить поглощения фотонов кристаллической решеткой и другие виды поглощения, которые не приводят к изменению электропроводности полупроводника.

Процессы поглощения света в полупроводнике характеризуются следующими основными параметрами:

– число фононов, падающих в секунду на единицу площади полупроводника;

– квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона;

– коэффициент поглощения полупроводника – величина, обратная толщине слоя полупроводника, после прохождения которого световой поток уменьшается в раз (размерность см^–1).

Для собственного поглощения см^–1, для примесного поглощения см^–1.