1.1.1. Поглощение света в твердых телах

Подпись: Рис. 1.1. Основные электронные переходы при поглощении света в кристаллах (а), пря-мые и непрямые межзонные переходы (б)

При прохождении света через вещество его интенсивность уменьшается. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или теплового движения атомов. На рис. 1.1, а показаны возможные переходы электронов в кристаллах под действием света (Ес—энергия, соответствующая нижнему краю зоны проводимости, Еν — верхнему краю валентной зоны). Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, он возможен при энергии фотонов hν≥ΔE=Ec — Eν, т. е. большей ширины запрещенной зоны ΔЕ. При меньшей энергии фотонов могут происходить переходы электронов с локальных уровней примесей или дефектов решетки кристаллов в зону проводимости (переход 2) или из валентной зоны на эти уровни (переход 3). При этом в разрешенных зонах энергии появляется только по одному носителю заряда. Переходы 1, 2, 3 изменяют электропроводность твердых тел, на этом явлении внутреннего фотоэффекта основана работа большинства фотоприемников.

При внутрицентровых переходах 4 электрон не освобождается и процесс поглощения света не приводит к изменению электропроводности кристалла. То же относится к экситонному поглощению (переход 5) и поглощению свободными носителями заряда (переход 6).

При поглощении электроном фотона должны выполняться законы сохранения энергии и импульса, поэтому более полно процесс поглощения света описывается с помощью диаграммы, учитывающей изменение энергии Е и импульса р. На рис. 1.1, б изображена зависимость от р энергии электрона в зоне проводимости (вверху) и дырки в валентной зоне (внизу). Сплошная линия соответствует полупроводнику, у которого минимумы энергии электрона и энергии дырки (она увеличивается вниз на рисунке) приходятся на одно и то же значение импульса (так называемые прямые зоны). В наиболее простом случае кинетическая энергия электрона связана с импульсом соотношением Е=р2/(2m). Стрелки 1 изображают «прямые» переходы электрона, происходящие без изменения импульса. Импульс фотона, равный hv(v- частота, с — скорость света), очень мал, и соответствующим приращением импульса электрона, поглотившего фотон, можно пренебречь. Переход 1/ является «непрямым» и происходит с изменением импульса электрона. При этом в процессе поглощения фотона участвует третья частица — фонон (квант колебательной энергии кристалла).

В случае материалов с прямыми зонами преобладают прямые межзонные переходы, не требующие участия третьей частицы. К веществам, обладающим прямыми зонами, относятся такие используемые в оптоэлектронике материалы, как GaAs (ширина запрещенной зоны ΔЕ=1,4эВ), CdSe (1,8эВ), CdS (2,5 эВ), ZnS (3,7 эВ) и др.

Может осуществляться случай, когда экстремумы энергий электронов и дырок на диаграмме Е(р) приходятся на различные р (штриховая линия на рис. 1.1, 6). Теперь переходы при наименьшей энергии фотонов возможны только непрямые (1//). При более высоких энергиях фотонов сохраняется возможность прямых переходов (1). К материалам с непрямыми зонами относятся, например, Ge (ΔЕ =0,7 эВ), Si (1,1 эВ), AlAs (2,2 эВ), GaP (2,3 эВ) и SiC различных политипов (2,4—3,1 эВ).

Подпись: Рис. 1.2. Схематический спектр поглощения света твердым телом (а) и спектры собст-венного поглощения нескольких веществ (б)

Если под действием света осуществляются переходы с участием примесных уровней (переходы 2, 3 на рис. 1.1, а), то третьей частицей, обеспечивающей выполнение закона сохранения импульса, может быть примесный центр.

Количественно поглощение света описывается следующим образом. Пусть на вещество падает поток излучения Фо, а на плоскость на глубине х под поверхностью вещества —поток Ф(х). В слое толщиной dx поглощается энергия dФ(x), которая пропорциональна падающему потоку и толщине dx, т. е. -dФ(х) = αФ(х)dх, где α–коэффициент пропорциональности, и . Интегрируя, получаем

. (1.1)

Таким образом, поток излучения экспоненциально уменьшается по мере углубления в образец. Величину α называют коэффициентом поглощения, она выражается в сантиметрах в минус первой степени. При х = х* =1/α имеем Ф(х) = Ф0/е (где е = 2,72), т. е. коэффициент α является величиной, обратной расстоянию х*, на котором поток уменьшается в е раз. Величину х* обычно называют длиной поглощения света. Если при собственном поглощении α=105см-1, то х*= 0,1 мкм. В случае примесного поглощения света α гораздо меньше, так как концентрация примесных электронов или акцепторных уровней сравнительно мала (обычно порядка 1016 —1018 см-3 против 5·1022 см-3 валентных электронов основного вещества).

При концентрации примеси около 1017 см-3 коэффициент примесного поглощения α≈10см-1. В кристаллах с большой долей ионной связи возможно возбуждение колебаний решетки световыми волнами. Поглощение такого типа становится особенно сильным в области резонанса (~1013 Гц).

Поглощение света свободными носителями заряда пропорционально их концентрации.

Различные типы поглощения проявляются при различных энергиях квантов hv. Обобщенная зависимость α от hv выглядит примерно так, как показано на рис. 1.2. Собственное поглощение начинается при частоте v0, соответствующей hv0=ΔE.Примесное поглощение создает полосы 2 и 4 (нумерация полос та же, что и для переходов на рис. 1.1). В широком интервале частот присутствует слабое поглощение света свободными электронами или дырками (6), в инфракрасной области проявляется пик 7, связанный с поглощением излучения ионами решетки (hv0,l эВ). У края собственного поглощения располагаются узкие линии экситонного поглощения (5). Экситон представляет собой слабо связанные электрон и дырку, образующие водородоподобную систему, которая имеет серию энергетических уровней. Экситон является нейтральным образованием и его появление не приводит к изменению электрических характеристик образца. Если температура достаточно высока, чтобы под действием тепловой энергии электрон перешел в зону проводимости, то при экситонном поглощении получится тот же результат, что и при собственном поглощении света.

В фотоприемниках обычно используют собственное поглощение. Примесное поглощение используют только в некоторых случаях—для расширения спектральной характеристики в длинноволновую область. Примеры зависимости х* от энергии фотонов hv в области собственного поглощения кристаллов приведены на рис. 1.2, б.

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.