При поглощении света полупроводником возможно такое возбуждение электрона валентной зоны, при котором он не переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную систему. Такая система получила название экситона. Если размеры экситона велики по сравнению с постоянной решётки, то взаимодействие электрона и дырки можно представить как кулоновское взаимодействие двух точечных зарядов, ослабленное в раз, где - электрическая постоянная, – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла.
Пусть - радиусы-векторы, определяющие положения электрона и дырки, а – их скалярные эффективные массы. Тогда уравнение Шредингера для взаимодействующего электрона и дырки имеет вид
(1.4)
где - операторы Лапласа в координатах электрона и дырки;
- энергия экситона;
.
Если вести радиусы-векторы центра тяжести электронно-дырочной пары и положения электрона относительно дырки:
, (1.5)
, (1.6)
то уравнение (1.4) в новых координатах будет иметь вид
(1.7)
где - эффективная масса экситона;
|
|
- приведенная масса;
.
Уравнение (1.7) допускает решение
, (1.8)
отвечающее свободному (трансляционному) движению центра тяжести экситона с волновым вектором . Можно показать, что есть решение водородоподобного уравнения:
. (1.9)
Уравнение (1.9) описывает внутреннее движение экситона с собственными значениями энергии , образующими водородоподобную серию:
, (1.10)
где - постоянная;
- главное квантовое число.
Тогда полная энергия экситона
. (1.11)
При условии изотропии , и если оптический переход прямой и совершается при =0, экситон будет характеризоваться водородоподобной серией линий поглощения (рис. 4), удовлетворяющих соотношению
, (1.12)
где совпадает с шириной запрещённой зоны при =0.
Однако, как показывает современная теория, спектр поглощения экситона может и не быть водородоподобным.