4. Кооф. Поглощения света в п/п

4.1. Что такое собственное и фундаментальное поглощение. Каковы типы оптических переходов

Собственное или фундаментальное поглощение света в полупроводниках, обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости в результате поглощения ими фотонов, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны, является характеристическим для вещества, поскольку оно определяется структурой зон.

В зависимости от начального и конечного состояния различают семь типов переходов: A – межзонные переходы, т. е. переходы электронов между состояниями, расположенными в зоне проводимости и запрещенной зоне; B – внутризонные переходы, т. е. переходы электронов между состояниями, расположенными только в зоне проводимости или только в запрещенной зоне; C – переходы между примесными состояниями, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне; D – переходы между примесными состояниями и состояниями для электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне; E – переходы с участием экситонов, т. е. переходы электронов между экситонным состоянием и состояниями, расположенными в валентной зоне, или для связанных экситонов с состояниями, расположенными в запрещенной зоне; I – внутрицентровые излучательные переходы, т. е. электронные переходы между двумя энергетическими уровнями, принадлежащими одному центру .

4.2. Чем определяется плотность состояний электронов в разрешенной зоне.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга (∆x∆p≈h) объем,который занимает один электрон в фазовом пространстве координат иимпульсов, равен Все состояния, классически изображаемые в пределах фазовой ячейки неразличимы и должны считаться одним и тем же квантовым состоянием.Число состояний g(E)dE, приходящихся на интервал энергий dE, будет равно числу элементарных объемов , содержащихся в объеме фазовогопространства dV, в котором энергия электронов изменяется в пределах E, E+dE. Так как энергия электрона определяется его импульсом то фазовый объем dV является произведением геометрического объема телаVq и объема dVp в пространстве импульсов, в котором импульс электронаизменяется в пределах p, p+dp :

Тогда с учетом того, что в одной фазовой ячейке могут находиться дваэлектрона с противоположно ориентированными спинами, имеем в единичном геометрическом объеме твердого тела

Учитывая предыдущие формулы, получим выражение для плотности энергетических состояний электрона в разрешенной зоне:

4.3. Чем различаются спектры поглощения для разрешенных и запрещенных прямых межзонных переходов

Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса (прямой переход), называются прямозонными.

Полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса (непрямой переход), называются непрямозонными. При этом, в процессе поглощения энергии, кроме электрона и фотона, должна участвовать ещё и третья частица (например, фонон), которая заберёт часть импульса на себя.

собственное межзонное поглощение будет иметь место,если энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны, то есть собственное поглощение имеет сплошной спектр, длинноволновая граница которого определяется условием

Если вероятность перехода не зависит от энергии, то коэффициент поглощения света для прямых межзонных переходов равен Но это справедливо для разрешенных переходов, которые имеют место, если волновые функции валентной зоны и зоны проводимости определяются состояниями индивидуальных атомов, для которых орбитальные квантовые числа различаются на единицу. В противном случае прямые межзонные переходы будут запрещены. Для коэффициента поглощения света в случае запрещенного прямого межзонного перехода может быть получено выражение: Таким образом, длина волны λгр , соответствующая границе собственного поглощения, позволяет определить ширину запрещенной энергетической зоны, а зависимость коэффициента поглощения от частоты вблизи края собственного поглощения - тип оптического перехода: для разрешенного перехода , для запрещенных -