OFP-Tretyak-Lozovski
.pdf151 |
Розділ 15. ОПТИКА НАПІВПРОВІДНИКІВ |
||||
RP = |
(α − sinϕtgϕ)2 |
+ β2 |
RS . |
(15.190) |
|
(α + sinϕtgϕ)2 |
+ β2 |
||||
|
|
|
Загалом кажучи, плоскополяризована хвиля за відбиття поляризується еліптично. Для напівпровідників майже у всіх цікавих випадках величина n становить кілька одиниць, а k – дорівнює одиниці або є
меншою. Тому n2 >> k2 і n2 >> sin2 ϕ. Це означає, що майже завжди α ≈ n, β ≈ k. Таким чином, RS є функцією, що повільно змінюється за
зростання кута падіння φ. RS збільшується від типової для нормального падіння величини ~ 0,3 до 1 – за ковзного падіння. За нормального падіння коефіцієнт відбиття р-поляризованого світла має таке саме
значення, як і RS , але за збільшення кута падіння RP демонструє немонотонну поведінку, і при α = sinϕtgϕ проходить через мінімум, а за подальшого зростання кута φ швидко зростає та досягає одиниці за ковзного падіння ϕ = 90°. Для значень коефіцієнту заломлення в ін-
тервалі від 3 до 7кут мінімального відбиття лежить у межах від 71° до 85°. За фіксованого куту падіння, згідно із (15.189–15.190) залишаються
дві невідомі величини α та β. Виконуючи ще будь-які два вимірювання, можна визначити ці величини, що означає - коефіцієнти заломлення та екстинції. Хоча вираз (15.129) є простішим для аналізу, дуже повільна
зміна коефіцієнту RS не дозволяє отримувати достатньо точних результатів для n та k. З іншого боку, швидка зміна коефіцієнту RP в області кутів ϕ = arctgn дозволяє вимірювати n та k досить точно. Ще кращі результати можна отримати, вимірюючи відношення RP /RS .
|
1.0 |
|
|
|
Дійсно, |
вимірювання |
цієї |
||
|
|
|
|
величини значно |
спрощує |
||||
|
|
|
|
|
|||||
відбиття |
0.8 |
|
RS |
|
обчислення, а точність під- |
||||
0.6 |
|
|
|
чина сильніше залежить від |
|||||
|
|
|
|
|
вищується, оскільки вели- |
||||
Коефіцієнт |
|
|
|
|
кута |
падіння |
(порівн. |
||
0.4 |
|
Rp |
|
рис. 15.37 та 15.38). Крім того, у |
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
цьому випадку не має необ- |
|||||
|
|
|
|
|
|||||
|
0.2 |
|
|
|
хідності |
проведення |
вимі- |
||
|
|
|
|
|
рювань абсолютних значень |
||||
|
0.0 |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
коефіцієнтів відбиття. Такий |
||||
|
|
|
Кут падіння, рад. |
|
метод |
експериментального |
|||
|
|
|
|
визначення |
коефіцієнтів |
||||
|
Рис. 15.37. Залежність коефіцієнтів відбиття |
||||||||
|
заломлення та екстинції по- |
||||||||
|
|
від кута падіння |
|
ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ |
154 |
бре описують дисперсію оптичних параметрів напівпровідників поблизу резонансів. Наприклад, у сполук зі знач ною часткою іонного зв'язку завжди існують інтенсивні смуги поглинання у далекій інфрачервоній області. Значне поглинання викликає сильне відбиття, що часто досягає величини 0,9 у вузькому спектральному інтервалі (рис. 15.39), який часто
|
|
|
|
|
називають |
смугою залишко- |
||
10 |
|
n |
|
|
вих променів. Отримані фо- |
|||
|
|
|
|
рмули показують, що в околі |
||||
8 |
|
|
R, ×0.1 |
|
||||
|
|
|
частоти |
ω = ω0 |
спостеріга- |
|||
|
|
|
|
|
||||
6 |
|
|
|
|
ється максимум |
поглинання. |
||
4 |
|
|
|
|
У цій області частот n швидко |
|||
|
|
|
|
збільшується зі |
зменшенням |
|||
|
|
|
|
|
||||
2 |
|
k |
|
|
частоти ω. За подальшого |
|||
0 |
|
|
|
|
зменшення частоти величина |
|||
|
|
|
1.2 ω/ω0 |
n проходить через максимум, |
||||
0.8 |
0.9 |
1.0 |
1.1 |
|||||
а далі асимптотично зменшу- |
||||||||
|
|
|
|
|
||||
Рис. 15.39. Коефіцієнти поглинання R, |
ється за |
мірою |
віддалення |
|||||
частоти від ω = ω0. При цьому |
||||||||
|
заломлення n, та екстинції k |
|||||||
у смузі залишкових променів для InSb |
резонансна частота ω0 за сут- |
тністю являє собою ту частоту, за якої провідність 2nkω досягає ма-
ксимуму. Коефіцієнт затухання γ можна визначити з умови: коли провідність дорівнює половині своєї максимальної величини, зсув частоти від резонансу становить 1/2γ. Таким чином γ є шириною резонансної кривої на напіввисоті. При ω → 0 із (15.199) видно, що поглинання є малим. З іншого боку, із (15.198) видно, що показник заломлення прямує до сталої (довгохвильової) величини, яка задається формулою
n |
2 |
|
4πNe2 |
|
|
|
0 |
=1+ |
2 |
. |
. |
(15.200) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
mω0 |
|
|
|
Коли йдеться про показник заломлення матеріалу, найчастіше мають на увазі саме цю величину. Для довжин хвиль набагато більших, ніж ті, що відповідають смузі поглинання, величина k стає дуже малою порівняно з n. Це означає, що для показника заломлення можна записати
n2 |
|
4πNe |
2 |
|
|
1 |
|
|
|
−1= |
|
|
|
|
. |
(15.201) |
|||
|
2 |
2 |
|||||||
|
|
m |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
(ω0 |
− ω |
) |
|
|
Криві дисперсії більшості матеріалів дуже добре слідують цьому закону, тому кращий метод визначення показника заломлення n0 полягає в
екстраполяції залежності (n2 −1)−1 від λ−2.
155 |
Розділ 15. ОПТИКА НАПІВПРОВІДНИКІВ |
Оскільки дисперсія показника заломлення та коефіцієнту екстинції визначаються дисперсією діелектричної функції (15.197), визначення частотних властивостей діелектричної функції є важливою проблемою оптики напівпровідників. Реальна та уявна частини діелектричної функції пов'язані вельми універсальними співвідношеннями, що віддзеркалюють принцип причинності у фізичних явищах. Математично цей принцип виражається у загальному співвідношенні між індукцією та електричним полем
D(t) = E(t) + ∞∫ f (τ)E(t − τ)dτ. |
(15.202) |
0 |
|
Оскільки будь-яке змінне поле можна звести до сукупності монохроматичних компонентів, в яких залежність всіх величин від часу зада-
ється множником e−iωt , |
то для таких полів зв'язок між Dта E має вигляд |
|||
|
|
D(ω) = ε(ω)E(ω), |
(15.203) |
|
де діелектрична функція визначається як |
|
|||
|
ε(ω) =1 + ∞∫ f (τ)eiωτdτ . |
(15.204) |
||
|
|
0 |
|
|
Функція ε(ω), взагалі-то є комплексною, тобто |
|
|||
|
|
′ |
′′ |
(15.205) |
|
ε(ω) = ε (ω) |
+ iε (ω) . |
||
Із визначення (15.204) безпосередньо випливає, що |
|
|||
|
ε(−ω) = ε* (ω) . |
(15.206) |
||
Виділимо у цьому співвідношенні дійсну та уявну частини |
||||
|
|
′ |
′ |
(15.207) |
|
|
ε (−ω) = ε (ω), |
||
та |
|
′′ |
′′ |
|
|
|
(15.208) |
||
|
|
ε (−ω) = −ε (ω) . |
||
′ |
′′ |
|
|
|
Отже ε (ω) є парною, а |
ε (ω) – непарною функцією частоти. Із визна- |
|||
чення (15.204), зокрема |
випливає, |
що у всій верхній |
напівплощині |
|
|
′ |
′′ |
|
|
комплексної площини (ω = ω + iω ) діелектрична функція ε(ω) є одноз-
начною функцією, що ніде не обертається на нескінченність: у верхній напівплощині ця функція не має особливих точок. Дійсно, при ω′′ > 0 підінтегральна функція у (15.204) містить експоненційний множ-
ник e , що швидко зменшується зазростання τ, а оскільки функція f(τ) обмежена у всій області інтегрування, то інтеграл є збіжним. Функція ε(ω) не має особливих точок і на осі ω′′ = 0, за винятком, можливо, лише початку координат. Далі виведемо формулу, що повя' зує уявну та
ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ |
156 |
дійсну частини діелектричної функції1. Виберемо будь-яке позитивне дійсне значення ω = ω0 і проінтегруємо вираз ε(ω)/(ω − ω0 ) за контуром
(рис. 15.40). Контур йде вздовж усієї дійсної осі, огинаючи точку ω = ω0, а
також точку ω = 0, |
якщо вона є полюсом функції ε(ω) зверху. Контур |
||||||||||||
|
|
|
ω′′ |
|
|
|
замикається напівколом нескінченно |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
великого радіусу. На нескінченності |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
(ω) |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ε → 0, тому функція ε(ω)/(ω − ω0 ) пря- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мує до нуля швидше за 1/ω. Це озна- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чає, що інтеграл |
ε(ω) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I = ∫ dω |
(15.209) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω − ω0 |
||||
0 |
|
|
ω |
0 |
ω′ |
C |
ε(ω) не |
||||||
|
|
|
|
є збіжним. Оскільки |
функція |
||||||||
Рис. 15.40. Контур інтегрування |
|||||||||||||
має особливостей у верхній напівпло- |
|||||||||||||
при виведенні співвідношень |
|||||||||||||
Крамерса–Кроніга |
|
щині, крім точки ω = 0, а точка ω = ω0 |
як і ω = 0 виключена з області інтегрування, то функція ε(ω)/(ω − ω0 ) аналітична всередині контуру С, й інтеграл (15.209) дорівнює нулю. Вважатимемо спочатку, що ε(ω) не має особливостей у точці ω = 0. Інтеграл за нескінченно віддаленим напівколом також обертається на нуль. Точку ж ω = ω0 обійдемо за колом нескінченно малого радіусу
r → 0. Обхід відбувається за годинниковою стрілкою та дає до інтеграла внесок, що дорівнює −iπε(ω0 ). Якщо ε(0) – обмежена величина, то обхід початку координат є зайвим, й інтегрування вздовж всієї дійсної осі дає
|
ω0 −r |
|
ε(ω) |
∞ |
|
ε(ω) |
|
|
|
|
rlim→0 |
|
∫ |
dω |
+ ∫ |
dω |
|
− iπε(ω0 ) = 0. |
|
||
|
|
|
|
(15.210) |
||||||
ω − ω |
ω − ω |
|||||||||
|
|
−∞ |
|
0 |
ω0 +r |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оскільки перший доданок у лівій частині рівняння є визначенням інтегралу у сенсі головного значення, то із (15.210) маємо
∞ |
ε(ω) |
|
|
|
iπε(ω0 ) = P ∫ dω |
, |
(15.211) |
||
ω − ω |
||||
−∞ |
0 |
|
|
|
|
|
|
де P ∫dω... – інтеграл у сенсі головного значення. Змінна інтегрування
пробігає тут лише дійсні значення. Перепозначимо змінну інтегрування як ξ для заданого дійсного значення величини ω0 (що позна-
1 Читачам, хто не цікавиться математичними деталями, це виведення можна опустити.