Поглощение света

В общем случае, виды поглощения света делятся на собственные и примесные.

При собственном поглощении энергия квантов света идет на ионизацию атомов полупроводника. А именно:

1.энергия фотонов может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости;

2.энергия фотонов может быть поглащена носителями заряда (электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны), т.е. энергия квантов света расходуется на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны.

При примесном поглощении энергия квантов света идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов.

а)	б)
Рис.4.1. переход электрона из валентной зоны в зону проводимости полупроводника: а)прямой; б)непрямой.

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 (рис.4.1,а). Может происходить также переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости и с изменением волнового вектора — непрямые переходы (рис.4.1.б).

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.

Поглощение света или вообще фотонов характеризуют показателем поглощения α, который равен относительному изменению светового потока (потока фотонов) в слое полупроводника единичной толщины (рис.4.2):

(4.1)

Это соотношение представляет собой дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Поэтому

(4.2)

Рис.4.2. Поглощение света в полупроводнике

Таким образом, показатель поглощения α можно определить как величину, обратную толщине слоя полупроводника, после прохождения которого, световой поток (поток фотонов) уменьшится в е=2,718... раз.

Зависимость показателя поглощения от энергии фотонов называют спектром поглощения полупроводника (рис.4.3.).

При больших энергиях фотонов происходит собственное поглощение с образованием пар носителей электрон—дырка. Показатель поглощения при этом велик.

 

Рис.4.3. Спектр поглощения полупроводника

При малой энергии фотонов (меньше ширины запрещенной зоны полупроводника) показатель поглощения уменьшается и основным процессом поглощения является поглощение носителями заряда.

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 поглощения при энергиях квантов света, равных энергиям ионизации примесей.

При малой энергии фотонов показатель поглощения (в этом диапазоне частот) зависит от концентрации носителей или от концентрации примесей.