40.Оптические свойства полупроводников.

При облучении п/п-ков светом происходит взаимодействие фотонов (квантов света) с обоими подсистемами: ядерной (атомной) и электронной, составляющей кристалл.

1. Решеточное или фононное поглощение .

2. Взаимодействие света с электронной подсистемой:

   1. Собственное или фундаментальное поглощение (взаимодействие фотонов с валентными электронами с их отрывом от атомов и переводом в зону проводимости);

   2. Поглощение на свободных носителях заряда (взаимодействие фотонов с электронами в зоне проводимости) (с переводом электронов на более высокие возбужденные уровни).

3. Взаимодействие фотонов с примесными атомами

   1. Ионизация примесных центров;

   2. Возбуждение колебаний примесного атома.

4. Экситонное поглощение света: в кристалле образуется пара электрон-дырка, связанная кулоновским взаимодействием.

Наиболее важный вид поглощения света – фундаментальное поглощение света (или собственное), поскольку отражает основные свойства полупроводника, связано с шириной запрещенной зоны и структурой зонной диаграммы (прямозонный или непрямозонный п/п).

- коэффициент поглощения.

- расстояние, при котором интенсивность света уменьшается в e раз.

Коэффициент поглощения можно записать через след. выражение:

,

где - количество поглощающих центров,

- вероятность поглощения одного фотона

Тогда коэффициент поглощения - это вероятность поглощения фотона на расстоянии, равном единице длины.

О братная величина имеет смысл средней длины свободного пробега фотона в поглощающей среде (кристалле).

Для объяснения зависимости учтем строение зонной диаграммы:

1. Е сли начинается быстрый рост , что связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Т.к. абсолютный минимум зоны проводимости смещен по оси относительно валентной зоны, то переброс электрона происходит с изменением его первоначального значения импульса. Такое изменение требует участия в процессе переброса кроме фотона и электрона еще и какого-либо третьего тела, который забирает часть импульса себе. Таким третьим телом участником может быть фонон или ион примеси. Переходы с участием третьего тела называют непрямыми.

2. Дальнейшее увеличение энергии квантов света до вызывает прямые переходы, т.е. непосредственный переброс электронов из верхней части валентной зоны на уровни в зоне проводимости, лежащие при том же значении квазиимпульса . На кривой при этом наблюдается излом с дальнейшем ростом .

3. Если , то при наличии примесных атомов возможно поглощение свободными носителями, т.е. при наличии носителей в зоне проводимости они могут поглощать кванты света с малой и переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости.

Если существуют донорные (или акцепторные) уровни, то возможны переходы между этими уровнями и зоной проводимости (валентной зоной), а также между отдельными уровнями. Как правило, потенциал ионизации донорного уровня ~0.02-0.05eV => в этой части зависимости будут видны пики. Поскольку переход уровень-зона характеризуется большим набором энергий (много свободных уровней в зоне проводимости), то переход уровень-уровень – это резонансный переход. В этом случае на спектре будет виден пик.

Поскольку , т.е. пропорционально количеству поглощательных центров, то собственное (фундаментальное) поглощение будет превалирующим (по абсолютной величине) над примесным.

Другие виды поглощения [фононное (решеточное), экситонное, свободными носителями, примесное] или менее интенсивны, или (и) располагаются в других энергетических интервалах по сравнению с характерным собственным поглощением ( ). В дополнение они не носят, как правило, порогового характера, а проявляются в виде фона.