1.3 Основні типи поглинання світла
Особливості спектральних залежностей оптичних коефіцієнтів Т(л), R(л) та б(л) в різних областях спектра зумовлені різними механізмами взаємодії світлової хвилі з кристалом і, головним чином, різними механізмами поглинання енергії кристалом. Оскільки поглинання світла пов'язане з переходом енергії фотонів в інші види енергії в кристалах, доречно класифікувати механізми поглинання таким чином:
1. Власне або фундаментальне поглинання, пов'язане з електронними переходами носіїв заряду між дозволеними зонами енергії.
2. Поглинання вільними носіями заряду, пов'язане з переходами електронів (дірок) в межах однієї зони або між підзонами дозволених зон.
3. Домішкове поглинання, пов'язане з переходами електронів (дірок) між дозволеними зонами і домішковими рівнями в забороненій зоні або між домішковими станами в забороненій зоні.
4. Екситонне поглинання, пов'язане зі створенням або розпадом системи електрон – дірка.
5. Поглинання кристалічною граткою, зумовлене поглинанням енергії світла коливаннями атомів гратки.
Коефіцієнт поглинання світла залежить від енергії hn фотонів, які падають на поверхню напівпровідника, та від деяких характеристик матеріалу напівпровідника (концентрації домішок і точкових дефектів тощо). Генерування нерівноважних носіїв заряду відбувається при поглинанні світла основними атомами напівпровідника та домішками й точковими структурними дефектами. При поглинанні світла основними або власними атомами напівпровідника може відбуватися їх іонізація, якщо енергія фотонів не менша від ширини забороненої зони Eg напівпровідника. У цьому випадку валентні електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними, тобто переходять з валентної зони в зону провідності (рис. 4.3, перехід 1). Такий тип поглинання називають власним або фундаментальним. При власному поглинанні світла в зоні провідності та у валентній зоні утворюються однакові кількості нерівноважних електронів і дірок (Dn = Dp). Характерною ознакою власного поглинання є наявність різкого збільшення коефіцієнта поглинання при енергії hn = Eg (рис. 4.2).
Значення довжини хвилі електромагнітного випромінювання lгр, при якому відбувається різке зростання коефіцієнта поглинання, називається довгохвильовою межею або краєм власного поглинання. Положення краю власного поглинання визначається з граничної умови
звідки
де h – стала Планка, с – швидкість світла у вакуумі.
напівпровідника з різною концентрацією домішок:
1 – найменша концентрація домішок;
3 – найбільша концентрація домішок
При довжинах хвиль випромінювання більших, ніж lгр, власного поглинання немає, оскільки енергія фотонів недостатня для іонізації атомів речовини (hn(njy) < Eg). При l(lambda) > l(lambda)гр можливі інші типи поглинання, зокрема, домішкове поглинання світла (рис. 4.2, криві 1, 2, 3). Глибина мінімуму на кривих a(lambda) в області домішкового поглинання залежить від концентрації домішок (N1 < N2 < N3).
Рис. 4.3. Схема можливих електронних переходів у процесі іонізації
основних (перехід 1) та домішкових (переходи 2 і 3) атомів.
Через А і Д позначені локальні рівні акцепторних та донорних
домішкових центрів відповідно