Собственное поглощение

Содержание

1. Теоретическое обоснование оптического поглощения

полупроводниками……………………………………………..........……………4

1.1 Собственное поглощение……………………………………….................….4

1.2 Экситонное поглощение……………………………………….................…..6

1.3 Примесное поглощение……………………………………............…………8

1.4 Поглощение свободными носителями заряда………………................……9

1.5 Поглощение решеткой…………………………………........................……10

1.6 Прибор для снятия спектра поглощения……………………......................11

1.7 Определение коэффициента поглощения полупроводника………………12

2. Порядок выполнения работы……………………………………....................14

3.Контрольные вопросы……………………………………………....................15

Цель работы – изучение оптического поглощения полупроводников.

Теоретическое обоснование оптического поглощения полупроводниками.

У полупроводников наблюдается пять основных видов оптического поглощения: собственное, экситонное, примесное, поглощение свободными носителями, поглощение решёткой. В данной работе даётся описание этих видов поглощения полупроводников и излагается методика его исследования при комнатной температуре.

Собственное поглощение

Если при поглощении полупроводником кванта излучения электроны валентной зоны, приобретая дополнительную энергию, превышающую или равную ширине запрещённой зоны, переходят в зону проводимости, то такое поглощение называется собственным или фундаментальным. При изучении собственного поглощения полупроводника следует учитывать строение его энергетических зон. Известные в настоящие время полупроводники в соответствии с конфигурацией энергетических зон делятся на два основных вида. У первого из них минимум энергии в зоне проводимости, характеризуемый волновым вектором , и максимум энергии в валентной зоне, определяемый волновым вектором , расположены в одной и той же точке зоны Бриллюэна (обычно эта точка ).Другими словами, у этих полупроводников = (рис. 1). В качестве примера таких полупроводников можно назвать антимонид индия. У второго вида веществ экстремумы зоны проводимости и валентной зоны находятся при различных , так что в этом случае . К последнему типу веществ относится большинство полупроводников, в том числе германий и кремний (рис. 2).

Переходы электронов через запрещенную зону будут происходить, прежде всего, между энергетическими состояниями, соответствующими максимуму валентной зоны и минимуму зоны проводимости, т.е. при значениях квазиимпульса () или волнового вектора , близких к нулю (рис. 1). При взаимодействии электрона с электромагнитным полем излучения должен выполняться закон сохранения энергии и закон сохранения квазиимпульса или волнового вектора:

, (1.1)

, (1.2)

где - волновые векторы электрона в начальном и конечном состояниях;

- волновой вектор, которым обладает квант излучения.

Волновой вектор фотона очень мал по сравнению с волновым числом электрона, так как длина волны электрона в кристалле при энергии электрона, соответствующей 300 К, составляет примерно 5 10 ^{-7 см}, в то время как - порядка 10 ^-1 – 10 ^{-5 см}. В связи с этим, в уравнении (1.2) волновым вектором фотона можно пренебречь. Поэтому

= (1.3)

Соотношение 1.3, называемое правилом отбора для электронных переходов, показывает, что в процессе взаимодействия электрона с полем излучения возможны только такие переходы, при которых волновой вектор электрона сохраняется. Эти переходы получили название вертикальных или прямых переходов (переход 1 на рис. 2). В некоторых случаях существуют факторы, ”смягчающие” правила отбора, в результате чего оказываются допустимыми также невертикальные переходы, но вероятность таких переходов намного меньше вероятности прямых переходов (переход 2 на рис. 2). В отличие от последних они происходят без сохранения квазиимпульса электрона. Закон сохранения импульса здесь обеспечивается взаимодействием электрона в процессе перехода не только с полем излучения, но и с колебаниями решётки. Другими словами, непрямые или невертикальные переходы осуществляются с испусканием или поглощением фотона. Эти переходы определяют поглощение, расположенное с длинноволновой стороны у границы собственного поглощения. Прямые и непрямые оптические переходы достаточно четко проявляются в спектре поглощения германия. Согласно рис. 3, пороговые значения энергии фотонов в германии, соответствующие появлению прямых и непрямых оптических переходов, при комнатной температуре равны 0.81 и 0.62 эВ. При температуре жидкого азота они соответственно составляют 0.88 и 0.72 эВ.