2.14. Қатты денелердегі жарықтың жұтылуы

Жарық қатты денеге түсе тұра, онымен бірге энергия алмасу арқылы әсерлеседі. Сәулелену энергиясының бөлігі жұтылады және электрондардың немесе фотондардың энергиясының үлкеюіне шейін барады. Қатты денедегі жарықтың жұтылуы Бугер–Ламберт заңымен сәйкес жүреді:

Бұл жердегі k – шағылысу коэффициенті; Ф(х) – беттен х қашықтықтағы энергияның жарықтық ағыны; α – жұтылу коэффициенті.

Оған кері өлшем сандық мәні бойынша қабаттық қалыңдығына тең, ол 2.21-суретте көрсетілгендей жарықтың интенсивтілігі е есе азаяды. Жұтылу коэффициентінің жұтылу жиілігінен немесе толқын ұзындығынан тәуелділігі дененің өту спектрін сипаттайды.

2.21-сурет. Шалаөткізгіштегі оптикалық сәулеленудің жұтылуы

Шалаөткізгіштерде сәуле жұтылуының бес негізгі түрін ажыратады: меншікті, қоспалы, экситонды, торлық, еркін тасымалдағыштардағы. Меншікті (фундаменталдық) жұтылу электрондардың валенттік зонадан еркін зонаға зона аралық ауысулармен анықталады және электрон-кемтіктік жұптардың генерациясымен қоса беріледі. Зона араларындағы энергетикалық қашықтықтан тәуелді мұндай жұтылу спектрдің кең аймағында бақыланады, оның ішіне көрінетін, инфрақызыл және ультракүлгін спектрлер кіреді.

Меншікті жұтылу – типті бастапқы (пороговый) үдеріс, жұтылатын фотондардың минималды энергиясы шалаөткізгіштің тиым салынған зонасының енімен анықталады. Hv= EG жанындағы аймақ меншікті жұтылудың шеті деп аталады. hv < EG кезінде меншікті жұтылу коэффициенті нөлге тең және сәулелену шалаөткізгіш арқылы шығынсыз өтеді. Жұтылу коэффициенттерінің спектралды тәуелділіктерінің түрі олардың энергетикалық зоналарының структурасымен анықталады. GaAs типті тікзоналы шалаөткізгіштер үшін меншікті жұтылу шегінде :

Бұл жердегі А – тасымалдаушылардың эффективті массаларынан тәуелді коэффициент. AIIIBV тобындағы шалаөткізгіштер үшін А Егер hv = EG болса, α=0, онда hv – EG = 0,01 эВ, α = 103 см–1, және де тік зоналы шалаөткізгіштер үшін меншікті жұтылу EG-ға қатысты жұтылатын фотондардың энергиясы аз болса да жыдам өседі.

Тік зоналы емес шалаөткізгіштер үшін (Si, Ge, GaP және т.б.) электрондарды өткізгіштік зонаға асыра лақтыру оның квазиимпульсінің өзгеруімен қоса беріледі және процесте үшінші дененің жұтылуын талап етеді, мысалы фонон. Тік емес ауысу үшін қажет минималды энергия hvmin = EG + Eф. Онда α – екі қосылғыштан тұратын болады:

Бұл жердегі Еф – фононның энергиясы; В – температураға тәуелсіз тұрақты.

Қоспалы жұтылу ионизация немесе қоспалы деңгейлерді тудыру процестерімен байланысты, олар шалаөткізгіштің тиым салынған зонасында орналасқан. Оның үстіне фонондар әсерінен электрондардың қоспалы деңгейден өткізгіштік деңгейге, валентті зонадан қоспалы деңгейге немесе бір қоспалы деңгейден басқа қоспалы деңгейге ауысуы болуы мүмкін. Алғашқы екі жағдайда бір белгінің еркін тасымалдаушылары генерацияланады және жұтылу спектрі салыстырмалы түрде кең жолақ түрінде болады, ол меншікті жұтылуға қатысты ұзын толқындар жаққа ығысқан. Үшінші нұсқада еркін заряд тасымалдаушылар пайда болады, ал жұтылу спектрі тар сызықтар түрінде болады.

Бөлме температурасында <<ұсақ>> қоспалы деңгейлер көптеген шалаөткізгіштерде термиялық ионизацияланған екендігін айтып өту қажет, себебі кристал тордың жылулық тербелістерінің энергиясы активация энергиясынан жоғары (КT > Ea). Сондықтан да сәулелену жұтылуын жеткілікті ИК-спектрінің аймағындағы төмен температураларда бақылауға болады (λ = 10...200 мкм). Сол уақытта шалаөткізгіштерде <<терең>> қосылысты деңгейлер болады. Бөлмелік температура кезінде термиялық ионизация ықтималдығы аз болады. Олар фотоқабылдағыштарда үлкен рөл атқарады, себебі шалаөткізгіштердің рекомбинация жылдамдығы, олардың өмір сүру уақыты және т.б. параметрлерді анықтайды.

Қоспалы жұтылудың шегінде, hv=Еа кезінде:

Бұл жердегі N-қоспалардың концентрациясы, Ea – қоспалы деңгейдің активация энергиясы, me, me* - еркін электрон массасы және оның шалаөткізгішке сәйкес эффективті массасы, n-сыну көрсеткіші.

Қосылыстардың атомдар концентрациясының аз болу әсерінен негізгі материалдардың атомдар концентрациясымен салыстырғанда қоспалы жұтылу коэффициенті меншіктіге қарағанда аз болады, шамамен 0,1...100 см–1.

Зоналардың ішіндегі электрондық ауысулармен шартталған еркін заряд тасымалдағыштардағы жұтылуы тасымалдаушылардың концентрациясы кезінде жоғары болады, 1019...1020 см–3.

Жалпы жағдайда жұтылу коэффициентінің спектралды тәуелділігі еркін заряд тасымалдаушыларда төмендегідей дәрежелік функциямен аппроксимерленуі мүмкін:

бұл жердегі n – еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы, b-тұрақты коэффициент.

Экситондық жұтылу жеткілікті кең тиым салынған зонасы бар шалаөткізгіштер үшін сипатталады. Экситон - <<электрон-кемтіктік>> әлсіз байланысқан жұп, ол энергетикалық деңгейлер сериясына ие. Бұл нейтралды түрлену. Оның пайда болуы электрлік сипаттаманың өзгеруіне алып келмейді. Егер температура айтарлықтай жоғары болмаса, онда жылулық энергия әсерінен электрон өткізгіштік зонаға ауысады және де бұл жағдайда жарықтың өздік жұтылуы кезіндегі қол жеткізген нәтиже шығады. Бұл кезде фотоөткізгіштік өзгермейді.

Торлық жұтылу жарықтық толқын өрісінің тордың тербелетін заряд өзектерімен әсерлесуі кезінде болады. Басқаша айтқанда, фотонның торлық жұтылу кезінде фонон туады, бұл процесс еркін заряд тасымалдағыштардың фотогенерациясымен қоса берілмейді. Торлық жұтылу спектрі жұтылу пиктерінің қатарымен сипатталады, олар ИК-аймақта орналасқан. Әдетте олар жұтылу линияларында еркін тасымалдаушылармен қабаттасады.

Осылайша, сәулелену жұтылу нәтижесінде шалаөткізгіште еркін заряд тасымалдаушылар пайда болады немесе бұл тасымалдаушылардың концентрациясы өзгереді. Бұл құбылыс <<ішкі фотоэффект>> деп аталады және шексіз өлшеммен сипатталады – яғни ол ƞ квантық шығыс. hv< EG ƞ= 0 кезінде, ал hv > EG кезінде ƞ тез өседі және бірге жақын болады, фотонның энергиясы ары қарай өскен кезде ол өзгермейді. ∆Е = hv – ЕG болатын артық энергия өткізгіштік зонадағы электрондардың кинетикалық энергиясының өсуіне дейін барады.

2.22-сурет. Шалаөткізгіштік материалдағы жарық жұтылуының спектралды

Жарықтың жұтылу спектрі 2.22-суретте көрсетілген, ал электрондық ауысу типтері 2.23-суретте берілген.

2.23-суреттегі 1-жағдайда электрон байланысқан жағдайдан еркін жағдайға ауысады.

2.23-сурет. Шалаөткізгіштік материалда жарықтың жұтылуы кезіндегі электрондық ауысулар.

Бұл меншіктік жұтылуға сәйкес келеді. 2-жағдай қоспалы жұтылуға сәкес. Екеуінде де шалаөткізгіш материалдың электрөткізгіштігінің өзгеруі бақыланады. Ішкі орталық ауысулар кезінде (4-жағдай) электрон босатылмайды және электрөткізгіштік өзгермейді. 5-жағдай экситонды жұтылуға сәйкес келеді және электрөткізгіштігінің өзгеруі қоса берілмейді. Егер температура айтарлықтай жоғары болса, онда жылулық энергия әсерінен электрон өткізгіштік зонаға ауысады және де бұл жағдайда жарықтың меншікті жұтылуындағы нәтижеге қол жеткізіледі. 6-жағдай еркін электрондармен жарықтың жұтылуын олардың концентрациясына пропорционалдығын сипаттайды. Меншікті жұтылу кезінде егер де жұтылу коэффициенті α= 105 см–1 болса, жұтылу тереңдігі х = 0,1 мкм, қоспалы жұтылу кезінде электрондар концентрациясы N = 1017 см–3, α =10 см–1, ал жұтылу тереңдігі х = 0,1 см-ге шейін өседі. һv= 0,1 эВ кезінде тор иондарымен жарықтың жұтылуы бақыланады (2.22-суреттегі 7-жағдай).

Фотоқабылдағыштардың жұмысы меншікті жұтылу эффектісіне негізделген. Кейбір жағдайларда, мысалы спектрлік сипаттаманы кеңейту үшін ұзынтолқындық аймақта қоспалы жұтылуды қолданады.