Основні поняття оптики

• Св́ітло це електромагнітні хвилі видимого діапазону. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7,5×10¹⁴ - 4,0×10¹⁴ Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нм. У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру.

Електромагнітна хвиля – це розповсюдження електромагнітного поля (електромагнітних коливань) у просторі. Електромагнітна хвиля є плоскою поперечною хвилею. Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується частотою, довжиною хвилі, поляризацією та інтенсивністю. У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку - швидкістю світла (с=310⁶ м/c). Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Взаємодіючи з речовиною, світло розповсюджується і поглинається. При переході з одного середовища в інше змінюється швидкість розповсюдження світла, що призводить до його заломлення. Поряд із заломленням на границі двох середовищ світло частково відбивається.

Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами: фотонами, енергія яких залежить від частоти: E = h , де E - енергія кванта,  - частота, h - стала Планка. Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим спектром сприймається як кольорове. Як і будь-яка інша електромагнітна хвиля світло характеризується поляризацією. Денне світло зазвичай неполяризоване, або частково поляризоване.

Електромагнітні хвилі

еннгенуннуекн

= T =  /, E = h = hv/,

де  - довжина хвилі;  - її швидкість;  - частота; Е - енергія

ЗОННА ДІАГРАМА МАТЕРІАЛІВ

Зону дозволених енергій, яка виникла з того рівня, на якому знаходяться валентні електрони в основному стані атому називають валентною зоною, вільну від носіїв зону над валентною називають зоною провідності. Залежно від заповнення валентної зони та ширини забороненої зони можливі три випадки зображені на рис.

Механізми поглинання світла

• При попаданні світла на напівпровідник скінченної товщини можливі наступні процеси: відбиття від границі розділу матеріалів, поглинання у напівпровіднику, проходження через матеріал. Коли пучок монохроматичного випромінювання проходить через речовину, то внаслідок відбиття від поверхні і поглинання в об'ємі його інтенсивність I₁=I_T зменшується. Якщо інтенсивність світла що падає I₀, а відбитого I_R то відношення R = I_R/I₀ називається коефіцієнтом відбиття. Відповідно відношення інтенсивності світла що пройшло I_T до вхідної T = I_T/I₀ називається коефіцієнтом проходження світла. Залежність коефіцієнта відбиття (пропускання) від енергії світла що падає R(hv) (Т(hv)) або довжини хвилі R() (Т()) називається спектром відбиття (пропускання).

Існують такі основні механізми поглинання світла напівпровідником: Власне поглинання. Енергія квантів світла - фотонів, що поглинаються напівпровідником, передається електронам валентної зони з перекидом цих електронів в зону провідності. Можливе якщо E = hv>Eg. 2. Домішкові поглинання. Енергія фотонів йде на іонізацію або збудження домішкових атомів. Можливе якщо E = hv>Ea(d) 3. Поглинання носіями заряду. Енергія квантів світла поглинається вільними електронами. При цьому енергія квантів світла витрачається на перенесення носіїв заряду на більш високі для них енергетичні рівні в межах відповідної дозволеної зони.

ЗАКОНИ ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА

• Cвітло з інтенсивністю I₀ яке падає на тіло товщиною l частково відбивається від границь розділу середовищ (рис.). З урахуванням відбиття від першої поверхні у зразок пройде випромінювання з інтенсивністю (1 - R)I₀. Внаслідок поглинання у шарі товщиною dx інтенсивність випромінювання I зменшиться на величину dI. Кількість поглиненої енергії dI пропорційна кількості енергії I що падає і товщині поглинаючого шару dx -dI = Idx

Коефіцієнт пропорціональності , що виражає кількість енергії поглинутої з пучка одиничної інтенсивності у шарі одиничної довжини, називається коефіцієнтом поглинання (абсорбції) світла. Проінтегровавши цей вираз отримаємо закон Бугера: I = I0exp(-l) Звідси легко знайти інтенсивність випромінювання що досягло другої поверхні зразка (1 - R)I0exp(-l). Інтенсивність світла що вийшла зі зразка дорівнює (1 - R) (1 - R)I0exp(-l). Якщо врахувати багаторазове повторне відбиття світла від поверхонь отримаємо T = Звідси Якщо l велике, то другим доданком у знаменнику можна знехтувати тоді для інтенсивності світла що пройшло крізь зразок отримаємо I = (1-R) 2I0exp(-l) Для коефіцієнта поглинання у цьому випадку справедливе співвідношення Ламберта  = - ln