1.3. Экситоны

При возбуждении электрона (кроме рассмотренного рванее процесса собственного поглощения, когда при поглощении света образуются свободные электрон и дырка) возможен процесс, когда возбужденный под действием света электрон не разрывает (!) полностью связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему – экситон. Этот процесс был предсказан советским ученым Я.И. Френкелем. Экситон подобен атому водорода: около одиночного положительного заряда движется электрон, а его энергетический спектр является дискретным. Уровни энергии экситона расположены у дна зоны проводимости.

В озникновение экситонов в полупроводниках не приводит к появлению носителей заряда (так как экситон электронейтрален) и поэтому поглощение света не сопровождается увеличением электропроводности. При столкновении с фононами и другими дефектами решетки экситоны либо рекомбинируют (аннигилируют), либо разрываются.

При рекомбинации происходит переход электрона в валентную зону. Он сопровождается либо излучением кванта света, либо безызлучательным переходом. При разрыве экситона электрон переходит в зону проводимости и параллельно с этим в валентной зоне образуется дырка. Образовавшаяся пара носителей (электрон и дырка) обусловливают повышение электропроводности полупроводника.

1.4. Поглощение света свободными носителями зарядов

С вет может вызывать переходы свободных носителей внутри (!) энергетической зоны с одних ее уровней на другие. Так как при таких переходах должен изменяться импульс носителя, они могут идти только с участием третьего тела – фонона (!).

Формула для коэффициента поглощения свободными носителями, полученная из классических расчетов, имеет вид:

, (11)

где – показатель преломления, – подвижность носителей – электронов.

Надо отметить, что при поглощении света свободными носителями зарядов изменения числа носителей заряда не происходит.

1.5. Переходы между подзонами

Зона проводимости и валентная зона реального полупроводника имеет более сложную структуру, чем рассматриваемые нами ранее. Эти зоны представляют собой наложение нескольких зон (или подзон) друг на друга. Это наложение получается в результате снятия вырождения p-электронов в кристаллическом поле и расщепления их уровней на подуровни, которые и образуют в кристалле подзоны. Каждая подзона характеризуется своей дисперсионной кривой и имеет свои экстремумы и свою индивидуальную форму иногда с несколькими минимумами – долинами. Каждая подзона характеризуется электронами или дырками со своей массой.

С вободные носители заряда (электроны в n-полупроводниках или дырки в p-полупроводниках) под действием света могут совершать переходы между подзонами (!). В результате в спектре поглощения появляются дополнительные полосы. Форма, интенсивность и положение таких полос определяются степенью (!) легирования полупроводника.

На рисунке изображены подзоны кремния для направления [100].

1.6. Примесное поглощение

В примесных полупроводниках под действием света могут происходить переходы электронов с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на примесные уровни. Такое поглощение называется примесным.

Надо иметь в виду, однако, что примесного поглощения не происходит, если примесные атомы уже ионизованы (!). Поэтому примесное поглощение наблюдается только при пониженных температурах, когда нет истощения примеси.

К оэффициент примесного поглощения: . Поэтому удобно примесное поглощение характеризовать сечением поглощения ( ):

,

которое от концентрации примеси уже не зависит. Величина зависит от длины волны . Сечение поглощения достигает максимума вблизи края примесного поглощения.