1.2 Поглощение в германии

К оптическим материалам предъявляют жесткие требования, и основным показателем здесь является минимальный коэффициент поглощения на определенной длине волны.

Усилия технологов и физиков направлены на улучшение этой наиболее существенной характеристики ИК – материалов.

По литературным данным обычного заводского германия: см^-1. Разброс в качестве кристаллов очень велик. Сейчас существует несколько методов получения германия для ИК – оптики с существенно меньшими потерями. Это дополнительная очистка сырья, она приводит к уменьшению до см^-1.

Отчего же зависит поглощение – от всех внешних воздействий, которые способны изменить состояние атомов основного вещества, примесей, дефектов, колебаний решетки. Коэффициент поглощения зависит от материала и от длины волны света . Чем меньше длина волны, тем больше поглощение.

Пусть на поверхность образца падает световой поток интенсивности N0. По мере проникновения в глубь полупроводника интенсивность будет изменяться за счет поглощения. Чем больше величина ,тем резче спадает интенсивность лучистого потока от поверхности в глубь материала. Закон, по которому плотность потока убывает с координатой, имеет вид:

Поглотилось в образце

при ,-мал и - мал

при ,в е раз

при , поток полностью поглощается.

Когда мала, энергия фотонаобратно пропорциональна длине волны:

Чем больше энергия падающего излучения, тем больше вероятность разорвать электронную связь атомов кристаллической решетки и образовать электронно-дырочные пары. Т.к. атомов решетки очень много, то следует ожидать большего поглощения.

По мере увеличения ,будет падать. (энергия образования электронно-дырочной пары) соответствует границе собственного поглощения . Для германия=1,72 мкм. Фотоны с энергией образовывать электронно-дырочные пары уже не способны. Однако в полупроводниках всегда присутствуют примеси, имеющие более слабую связь с решеткой и имеющие гораздо меньшую концентрацию, чем концентрация атомов полупроводника. Следует ожидать, что, соответствующая примесному поглощению, будет гораздо меньше, чем в случае собственного поглощения. Нобудет зависеть еще и от концентрации примеси, чем больше концентрация, тем ниже.

Вся примесь ионизирована, но с другой стороны свободные электроны и дырки в кристалле сами способны поглощать фотоны. Дело в том, что увеличение с ростом привызвано поглощением света на свободных носителях. Волна часть своей энергии отдает на ускорение движения свободных носителей. Атомы примеси она ионизировать не может, т.к. они уже ионизированы.

Теперь подробнее рассмот­рим поглощение в германии. Зависимости поверхностного и объемного поглощения в германии на 10,6 мкм от и состояния поверх­ности измерены с помощью адиабатической калориметрии. Установ­лено, что при обычной оптической полировке(Al₂О₃) до 50% полного поглощения в образце толщиной 1 см может быть припи­сано поверхности. Последующая полировка коллоидным кварцем уменьшала этот поверхностный вклад в полное поглощение до 10%. Остаточное поверхностное поглощение не было обусловлено лету­чими примесями, которые можно было удалить вакуумированием. Было установлено, что оптимальное удельное сопротивление гер­мания, имеющего наименьший коэффициент объёмного поглощения при комнатной температуре находится в диапазоне 10-40 Ом см.

Установлено также, что поверхностное поглощение образцов германия, изготовленных с помощью механической обработки ал­мазным инструментом может быть ниже, чем для образцов, нор­мированных коллоидным кварцем, хотя во многих случаях оно бы­ло значительно большим.

Для полупроводника может быть представлен:

- поглощение, обусловленное основными межзонными электрон­ными переходами (характерен для коротковолновой области).

- фононное поглощение (характерен для длинноволновой гра­ницы полосы пропускания).

и - механические поглощения, обусловленные перехода­ми свободных носителей в валентной зоне и зоне проводимости.

- сечение дырочного поглощения

- электронного

и - концентрации электронов и дырок соответственно.

) - примесные поглощения (в объёме и на поверхности кристалла). Поглощение, обусловленное свободными носителями, может иметь место по всей области прозрачности и проявляться в виде широ­кого, не имеющего резко выраженных особенностей спектра, описываемого выражением:

, где x = 1,53,5,в зависимости от материала.

Для германия х~2.

В полупроводнике коэффициент поглощения, обусловленный свободными носителями может быть изменён путем внесения примесей с соответствующим типом проводимости (т.е. изменяя N или p) , т. к. Капрон и Брилл определили (по измерению коэффициента ) при 10,6 мкм, как функцию ти­па проводимости (N и p) и удельного сопротивления , ко­торое связано с конфигурацией и концентрацией носителей.

где и - подвижность электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне.

е - заряд электрона.

Значения , полученные этими авторами от > 0,4см^-1 (p - min , =5 Омcм) до 0,02 см^-1 ( N – min, =10 Ом см).

Концентрации примесей, используемые для изменения и умень­шения вклада свободных носителей в полное поглощение, обычно значительно ниже, чем концентрации необходимые для того, что­бы вызывать заметное поглощение, обусловленное самими примесями.

В действительности высокая степень чистоты, необходимая для достижения требуемых электрических свойств и контролиру­емого поглощения, обусловленного свободными носителями в та­ких полупроводниках как германий, означает, что в объёме материала, обусловленное примесями вряд ли является сущест­венным.

В большинстве случаев примесное поглощение обусловлено влиянием оптической обработки материала. Примеси вносятся в поверхностный слой в процессе шлифовки и полировки, что приводит к значительно большему .

измерялся с помощью адиабатической калориметрии, при использовании СО₂ - лазера.

Подготовка образцов. Образцы выравнивались посредством по­лировки корундовым порошком или карбидом кремния. Затем полиро­вались на битумном притире с помощью оксида алюминия класс А (0,3 мкм) или В (0,05 мкм).

При этом вклад поверхностного поглощения в полное поглощение > 30%.

Опыт показал, что при таком способе полировки (оксидом алю­миния или коллоидным кварцем, или же алмазным аэрозолем) невоз­можно получить точные значения коэффициента объёмного поглоще­ния.

Необходимо найти метод полировки, который вносит незначи­тельный вклад в . Если полированные оксидом Аl образцы дополнительно отполированы коллоидным кварцем на фетровом при­тире, тогда поверхностное поглощение уменьшается до – 9%.

При измерении на ИКС возникают дополнительные ошибки из-за неколлинеарности падающего излучения, что затрудняет вычисление коэффициента отражения и, что более важно, для материалов с та­ким большим "n", как германий, вызывает дефокусировку изоб­ражения на входной щели монохроматора.

Полировка Ge алмазом, в виде аэрозоля (аэрозольной взве­си частиц 0,1 мкм в органическом растворителе) не позволи­ла получить такое низкое поверхностное поглощение, как при по­лировке коллоидным кварцем.