Навигация
2. Механизмы поглощения
Процессы поглощения света следует классифицировать по тому, на что непосредственно расходуется энергия поглощенных фотонов. Можно выделить следующие механизмы [1]:
1) Решеточное поглощение: электромагнитная волна непосредственно возбуждает колебания решетки. Этот механизм поглощения особенно важен в ионных кристаллах, в которых генерация оптических фононов приводит к заметному изменению вектора поляризации; однако такое поглощение наблюдается и в гомеополярных материалах. Его испытывают волны, частоты которых близки к предельной частоте оптических фононов ω0. (Обычно это соответствует энергии в несколько сотых долей электронвольта.)
2) Поглощение свободными носителями заряда: энергия расходуется на создание тока высокой (оптической) частоты и, в конечном счете, переходит в джоулево тепло.
3) Примесное поглощение: энергия поглощается носителями заряда, локализованными на примесных или иных структурных дефектах решетки. Она расходуется либо на перевод носителей с основного уровня примесного центра на возбужденный, либо на ионизацию примеси. В последнем случае электроны (дырки) попадают в зону проводимости (валентную), т. е. имеет место внутренний примесный фотоэффект. Таким путем можно определять энергии ионизации ряда примесей.
4) Междузонное поглощение: энергия фотона расходуется на создание пары «электрон проводимости + дырка». В отсутствие сильного электрического поля и/или большой концентрации примеси этот тип поглощения опознается по наличию граничной частоты ωm, близкой к Еg/ћ. При ω < ωm поглощение этого типа отсутствует. Следует, однако, заметить, что вид спектра поглощения вблизи частоты ω = ωm в разных материалах оказывается различным. На рисунке 2.1 представлен спектр поглощения арсенида галлия.
Рисунок 2.1. Спектр поглощения пленки арсенида галлия [1].
Видны два края поглощения. Первый из них приближенно соответствует значению ћωm = Eg (вблизи красной границы коэффициент поглощения очень мал, поэтому поглощение становится заметным при несколько больших частотах), второй отвечает энергии Eg + Δ, где Δ — расстояние между потолком валентной зоны и верхним краем валентной подзоны, отщепленной из-за спин-орбитального взаимодействия.
Примерно такие же (в измененном масштабе частот) кривые получаются и при исследовании многих других материалов — антимонида и арсенида индия, антимонида галлия и др. С другой стороны, у ряда интересных полупроводников частотная зависимость и величина показателя поглощения вблизи красной границы оказываются существенно иными. Так, на рисунке 2.2 изображен ход показатель поглощения света в германии при различных температурах. При ω = ωm (ћωm = Eg = 0,66 эВ при комнатной температуре) показатель поглощения относительно мал; он становится сравнимым с тем, что наблюдается в арсениде галлия, лишь при ћω ~ Eg + 0,1 эВ. Похожая картина (в другом масштабе частот) наблюдается также в кремнии, фосфиде галлия и других материалах. Это различие имеет глубокую физическую природу: оно обусловлено тем, что в материалах первого типа экстремумы зон проводимости и валентной лежат в одной точке зоны Бриллюэна, а в материалах второго типа — в разных.
5) Экситонное поглощение: энергия фотона расходуется на образование экситона.
В материалах первого типа экситонному поглощению отвечают узкие пики α при частотах, несколько меньших ωm; в материалах второго типа вместо пиков наблюдаются «ступеньки».
Рисунок 2.2. Край поглощения германия при различных температурах [1].
3. Поглощение свободными носителями
Говоря «свободный носитель», мы имеем в виду носитель, который может свободно двигаться внутри зоны и реагировать на внешние воздействия [2]. Поглощение свободными носителями характеризуется монотонным, часто бесструктурным спектром, описываемым законом lp, где l = c/n— длина волны фотона, а р меняется в пределах от 1,5 до 3,5.
При поглощении фотона электрон совершает переход в состояние с большей энергией в пределах той же долины (рисунок 3.1). Такой переход требует дополнительного взаимодействия для того, чтобы выполнялся закон сохранения квазиимпульса.
Рисунок 3.1. Переход свободного электрона в зоне проводимости [2].
Изменение квазиимпульса можно обеспечить либо в результате взаимодействия с решеткой (фононы), либо путем рассеяния на ионизованных примесях.
Согласно теории Друде, описывающей колебания электрона в металле под действием периодического электрического поля, затухание должно увеличиваться пропорционально l2. В полупроводниках рассеяние акустическими фононами приводит к поглощению, меняющемуся как l1.5. Рассеяние на оптических фононах дает зависимость l2.5, тогда как рассеяние ионизованными примесями может дать зависимость l3 или l3.5, что связано с аппроксимациями, использованными при построении теории [2].
В общем случае реализуются все типы рассеяния и результирующий показатель поглощения af свободными носителями представляет собой сумму трех членов
af = Al1.5 + Bl2.5 + Сl3.5, (3.1)
где А, В и С — константы. В зависимости от концентрации примесей тот или иной механизм рассеяния будет доминирующим. Показатель р в зависимости lp должен возрастать с увеличением легирования или степени компенсации.
В таблице 3.1 приведены значения р и сечения поглощения af /N для различных соединений [2].
Таблица 3.1. Поглощение свободными носителями в соединениях n-типа.
| Соединение | Концентрация носителей, 1017 см-з | af /N *, 10-17 см-2 | р |
| GaAs | 1-5 | 3 | 3 |
| InAs | 0,3-8 | 4,7 | 3 |
| GaSb | 0,5 | 6 | 3,5 |
| InSb | 1-3 | 2,3 | 2 |
| InP | 0,4-4 | 4 | 2,5 |
| GaP | 10 | (32) | (1,8) |
| AlSb | 0,4—4 | 15 | 2 |
| Ge | 0,5—5 | ~ 4 | ~ 2 |
* Отношение показателя поглощения к концентрации свободных носителей af /N приведено для длины волны 9 мкм. Параметр р определяет зависимость поглощения от длины волны в приближении af ~ lр.
Классическая формула для показателя поглощения свободными носителями af имеет вид
(3.2)
где N — концентрация носителей, п — коэффициент преломления, а t — время релаксации. Отметим, что t учитывает влияние рассеяния. Таким образом, следует ожидать, что вероятность рассеяния ионизованными примесями будет зависеть от природы примеси. Такая зависимость показателя поглощения от химической природы примеси была обнаружена в германии n-типа, где при данной длине волны
af (As) > af (P) > af (Sb),
и в GaAs, где также при фиксированной длине волны
af (S) > af (Se) > af (Te).
Далее, время релаксации зависит от концентрации рассеивающих центров. Поэтому при сильном легировании показатель af не должен быть просто пропорциональным N, как записано в формуле (3.2). На рисунке 3.2 видно, что в германии, легированном сурьмой, показатель af пропорционален N3/2. Поскольку эффективная масса постоянна в этой области концентраций, то из формулы (3.2) следует, что t пропорционально N‑1/2.
Рисунок 3.2. Поглощение свободными носителями в Ge (Т = 4,2 К) при 2,4 мкм.
Похожие работы
... Cd(N03)2 и Na2S концентрации которых изменялись в процессе синтеза. Было замечено, что состав раствора существенно влияет на спектральное распределение фотолюминесценции нанокристаллов. С целью проведения сравнительного анализа люминесцентных свойств нанокристаллов и монокристаллов были выбранны монокристаллы CdS, спектр которых содержал в видимой области три полосы свечения (l1=540 нм, l2=590 нм, ...
... индуцированные фотопроцессы в пленках и растворах наночастиц CdSe/ZnS. Сборник трудов IV Международной конференции “Фундаментальные проблемы оптики” ФПО-2006, с. 81. С.-Пб, 2006. 7. М.В. Артемьев, С.В. Дайнеко, К.В. Захарченко, И.Л. Мартынов, В.А. Олейников, А.А. Чистяков. Фотопроцессы в растворах и пленках наночастиц CdSe/ZnS, инициированные лазерным излучением. Лазерная физика и оптическ
... и временная нестабильность характеристик, обусловленная поверхностной хемосорбцией кислорода, в первую очередь, и другими механизмами деградации. [15]. ГЛАВА 1. СВОЙСТВА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ 1.1. Оптические свойства AlN. Данные об оптических свойствах нитрида алюминия приводятся в достаточно ранних источниках, очевидно из-за того, что долгое время этот материал достаточно слабо использовался в ...
... от структуры силикатных стёкол, и способно выдерживать умеренные концентрации катионов (например, натрий до 0,1%), не увеличивая электропроводимость. Боратное стекло отвечает требованиям герметизации полупроводниковых приборов: свободно от щелочных металлов, уплотняется (спаивается) при температуре до 800С, относительно инертно и водонепроницаемо, имеет регулируемые коэффициенты температурного ...
0 комментариев