РОЗДІЛ 6. ОПТИЧНІ ЯВИЩА В НАПІВПРОВІДНИКАХ
6.1. Механізми поглинання світла у кристалах
Відомо, що речовина, поміщена у зовнішнє електромагнітне поле, здатна поляризуватися та намагнічуватися. Явища поляризації та намагнічування речовини пояснюються дією сил поля, що змінюють характер руху електронів і ядер, які входять до складу її молекул. Ступінь поляризації і намагнічування речовини залежить від її властивостей та силових характеристик електричної і магнітної складових зовнішнього електромагнітного поля.
Енергія електромагнітної хвилі, падаючої на поверхню речовини, розподіляється у точці падіння між відбитою і заломленою хвилями. Емпіричним шляхом встановлено, що інтенсивність заломленої хвилі зменшується тим сильніше, чим довший шлях вона пройшла у речовині. Явище зменшення інтенсивності електромагнітної хвилі при проходженні її через речовину називається згасанням і пояснюється різними процесами взаємодії хвилі з речовиною. Причиною згасання електромагнітної хвилі у однорідному середовищі є процеси поглинання, а в неоднорідному, крім того, – розсіювання.
Поглинанням називається явище зменшення інтенсивності електромагнітної хвилі при проходженні її через речовину внаслідок перетворення енергії поля у внутрішню енергію речовини або у енергію вторинного випромінювання, що має інший спектральний склад та інші напрямки поширення. Внаслідок поглинання може відбуватися нагрівання речовини, іонізація атомів або молекул, фотохімічні реакції, фотолюмінісценція і т.п.
Кількісною мірою ефективності процесу поглинання речовиною є лінійний коефіцієнт поглинання – скалярна фізична величина
,
(6.1)
яка має зміст відносної швидкості зміни інтенсивності хвилі І при зміні довжини х пройденого нею шляху у речовині. Згідно експериментально встановленого закону Бугера-Ламберта зміна інтенсивності монохроматичного світла при зміні глибини його проникнення у речовину визначається експоненціальною залежністю
,
(6.2)
де І0 = І(0). Коефіцієнт поглинання є характеристикою поглинаючої системи і, як видно з означення, вимірюється у одиницях, обернених до одиниць вимірювання довжини. У оптичній спектроскопії кристалів зручною одиницею вимірювання α є см-1.
Розсіюванням називається процес перетворення енергії електромагнітної хвилі у неоднорідному середовищі, яке супроводжується зміною напрямку її поширення і проявляється у вигляді невластивого світіння речовини. Невластиве світіння обумовлене вимушеними коливаннями електронів у атомах розсіюючого середовища, викликаними дією періодично змінного поля електромагнітної хвилі.
Кількісною мірою ефективності процесу розсіювання є коефіцієнт екстинції ε – скалярна фізична величина, що визначається подібно до (6.1) і має аналогічний зміст – відносної швидкості зміни інтенсивності при зміні довжини пройденого хвилею шляху у речовині. Різниця між коефіцієнтами поглинання і екстинції полягає у тому, що вони характеризують швидкість згасання хвилі внаслідок різних причин – поглинання або розсіювання, відповідно. Якщо у середовищі обидва процеси протікають одночасно, то зміна інтенсивності монохроматичної хвилі при заглибленні її у речовину визначається залежністю
.
(6.3)
Причиною поглинання світла речовиною є взаємодія електромагнітної хвилі з зарядженими частинками, що входять до складу речовини (електронами, ядрами атомів, іонами). З боку електромагнітного поля хвилі на частинки діють сили, що змінюють характер їх руху – переводять у збуджений стан. Внаслідок трансляційної симетрії ґратки збудження не може бути локалізованим, а тому пошириться на увесь кристал у вигляді хвилі, яка переносить енергію. Отже має місце перетворення енергії зовнішнього електромагнітного поля у енергію збудження. При цьому енергія збуджуючої електромагнітної хвилі зменшується і тим більше, чим довший шлях вона проходить у речовині, що й трактується як поглинання.
Залежно від типу збудження, викликаного електромагнітною хвилею у кристалі, поглинання світла у ньому може здійснюватись за одним з наступних механізмів:
фундаментального (властивого) поглинання;
екситонного поглинання;
поглинання вільними носіями зарядів;
домішкового поглинання;
поглинання кристалічною ґраткою.