Поглощение света

Существуют различные виды поглощения света. При поглоще­нии полупроводником квантов света — фотонов — их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости, т. е. энергия квантов света идет на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называют собственным поглощением. Существует поглощение энергии квантов света свободными электронами зоны проводи­мости или дырками валентной зоны. т. е. поглощение носите­лями заряда. При этом энергии квантов света расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энерге­тические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов. Кроме того, в полупроводниках могут происходить поглоще­ние фотонов кристаллической решеткой и некоторые другие виды поглощения. Процессы поглощения фотонов не следует смешивать с процессами рассеяния, которые также приводят к уменьшению плотности потока фотонов. При собственном поглощении фотонов переход электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводника может происходить без изменения квазиимпульса или волнового вектора электрона, т. е. возможны прямые переходы (рисунок 8).

Рисунок 8. Прямой переход электрона из валентной зоны в зону проводимости полупроводника

Может происходить также переброс электронов из валентной зоны в зо­ну проводимости и с изменением волнового вектора — непря­мые переходы (рисунок 9).

Рисунок 9. Непрямой переход электрона из валентной зоны в зону проводимости полупроводника

При непрямых переходах в процессе поглощения кроме фотона и электрона должна участвовать еще третья квазичастица, которая заберет часть квазиимпульса на себя, т. е. обеспечит выполнение закона сохранения импульса. Таким образом, непрямые переходы — это переходы с участием третьей квазичастицы. Третьей квазичастицей обычно является фонон квант тепловой энергии кристаллической решетки полупроводника.

Рисунок 10. Поглощение света в полупроводнике

Поглощение света или вообще фотонов характеризуют по­казателем поглощения а, который равен относительному измене­нию светового потока (потока фотонов) в слое полупроводника единичной толщины (рисунок 10):

Это соотношение представляет собой дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Поэтому

Таким образом, показатель поглощения и можно определить как величину, обратную толщине слоя полупроводника, после прохождения которого световой поток (поток фотонов) умень­шится в е = 2.718... раза.

Зависимость показателя поглощения от энергии фотонов на­зывают спектром поглощения полупроводника (рисунок 11).

Рисунок 11. Спектр поглощения полупроводника

При больших энергиях фотонов происходит собственное погло­щение с образованием пар носителей электрон — дырка. По­казатель поглощения при этом велик. При малой энергии фотонов (меньше ширины запрещенной зоны полупроводника) показатель поглощения уменьшается.

При еще меньших энергиях кван­тов света может происходить при­месное поглощение, если не все при­меси ионизированы при данной температуре. Примесному поглоще­нию соответствует один или несколь­ко максимумов в спектре поглоще­нии при энергиях квантов света, равных энергиям ионизации примесей.

При малых энергиях фотонов основным процессом поглоще­ния является поглощение носителями заряда. Поэтому показа­тель поглощения в этом диапазоне частот зависит от концентра­ции носителей или от концентрации примесей.