7. Основные механизмы поглощения в полупроводниках.

При воздействии на полупроводник светом могут быть реализованы следующие типы взаимодействия квантов света с носителями заряда: собственное поглощение, экситонное поглощение, поглощение на свободных носителях, примесное поглощение и двухфотонное поглощение. Значительное, а иногда и решающее влияние на процессы поглощения и испускания оказывают внешние условия: температура, механическое давление, электрическое и магнитное поля.

В случае собственного поглощения происходит взаимодействие фотонов с электронами в валентной зоне, т. е. с собственными электронами атомов, составляющих кристаллическую решетку. Фотоны определенной энергии способны отдать свою энергию этим электронам, оторвать их от атомов и перевести электроны на более высокие энергетические уровни. В этом случае фотоны поглощаются в кристалле. При собственном поглощении переходы могут быть прямые, когда волновой вектор электрона остается неизменным, и электрон и оставляемая им дырка имеют одинаковые квазиимпульсы. Возможны также непрямые переходы с участием фононов, которым передается избыточный импульс. По краю собственного поглощения можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника.

В некоторых полупроводниках наблюдается экситонное поглощение. Опыты показывают, что полупроводниковые кристаллы с небольшой концентрацией дефектов, особенно при низких температурах, характеризуются большим коэффициентом поглощения для энергий квантов света, несколько меньших . Фотопроводимость при этом не возникает. Энергия внешнего излучения расходуется не на создание свободных электронов и дырок, а на образование особых квазичастиц – экситонов, которые могут блуждать по кристаллу. При столкновении с примесными центрами экситон может либо распасться и образовать электрон и дырку, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. В первом случае экситону необходима тепловая энергия, во втором — либо происходит излучение кванта энергии, либо энергия экситона переходит решетке полупроводника в виде теплоты.

В физике полупроводников наибольшее распространение получила модель экситонов большого радиуса Ванье-Мотта. Экситон представляется как водородо-подобный атом, состоящий из положительно заряженной дырки и связанного с ней электрона. Между разноименно заряженными частицами действует сила кулоновского притяжения, ослабленная в раз, где– диэлектрическая постоянная кристалла. Обе частицы вращаются вокруг общего центра тяжести и одновременно перемещаются по кристаллу без переноса электрического заряда.

Экситон полностью исчезает или аннигилирует, и вся его энергия (внутренняя и кинетическая) передается фотону, если нет взаимодействия с третьими частицами. Поэтому контур экситонных линий излучения воспроизводит максвелловское распределение экситонов по скоростям.

Поглощение на свободных носителях имеет место, когда фотоны реагируют со свободными носителями заряда в разрешенных зонах. При этом энергия фотонов расходуется на перевод носителей заряда на более высокие уровни. Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательные движения синхронно с полем и при столкновении с узлами решетки отдают накопленную энергию. Создание инверсной населенности не гарантирует получения активной среды, поскольку коэффициент поглощения свободными носителями может быть достаточно большим. Этот вид поглощения теоретически и экспериментально изучен достаточно подробно.

Поскольку оптические переходы электронов и дырок в пределах одной зоны сопровождаются изменением их квазиимпульсов, а импульс фотона пренебрежимо мал, то такие процессы возможны только с участием третьих частиц. Носители взаимодействуют или, как говорят, рассеиваются на различных дефектах, что и обеспечивает изменение их импульса. Поглощение свободными носителями увеличивается с ростом температуры (концентрации фононов) и длины волны.

В случае примесного поглощения света фотоны взаимодействуют с примесными атомами, ионизируя или возбуждая их. Взаимодействие фотонов с примесными атомами носит резонансный характер. Введением в кристалл примесей, особенно в больших количествах, можно заметно изменить его энергетический спектр, населенности энергетических состояний и вероятности оптических и неоптических переходов.

Вблизи края собственного поглощения иногда наблюдается тонкая структура, обусловленная образованием донорно-акцепторных пар. Донорные и акцепторные примесные центры можно считать невзаимодействующими только в первом приближении. В принципе они испытывают кулоновское и ван-дер-ваальсово взаимодействия. Поскольку примесные атомы занимают в решетке вполне определенные места, то энергия электронно-дырочной пары принимает дискретный ряд значений, определяемых расстоянием между электроном и дыркой, что и проявляется в спектрах поглощения и еще более четко в спектрах люминесценции.

В полупроводниковых кристаллах также имеет место поглощение света кристаллической решеткой. Оно проявляется в далекой ИК-области спектра и накладывается на другие виды поглощения.

Двухфотонное поглощение. Вероятности двухфотонных переходов в системе частиц с дискретными уровнями энергии рассчитывались еще в 30-х гг. сразу же после возникновения квантовой механики. Эти вероятности получаются во втором приближении теории возмущений (рис. 2.).

В случае примесного и собственного оптического поглощения происходит генерация неравновесных носителей заряда, которая сопровождается изменением электрических свойств полупроводника при освещении — наблюдается эффект фотопроводимости, используемый для создания широкого класса приборов. К неравновесным оптическим явлениям, характерным для полупроводниковых кристаллов и нашедших широкое применение в полупроводниковом приборостроении относится люминесценция.