Поглощение света в полупроводниках

Существуют следующие основные механизмы поглощения света полупроводником:

1. Собственное поглощение. Энергия поглощаемых полупроводником квантов света – фотонов передается электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости.

2. Поглощение носителями заряда. Энергия квантов света поглощается свободными электронами. При этом энергия квантов света расходуется на перенос носителей заряда на более высокие для них энергетические уровни в пределах соответствующей разрешенной зоны.

3. Примесное поглощение. Энергия фотонов идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов.

Поглощение света количественно характеризуется показателем светового потока (потока фотонов) в слое полупроводника единичной толщины (рис.2.1).

Поток фотонов в полупроводнике определяется следующим выражением:

где α - показатель поглощения – величина, обратная толщине слоя полупроводника, после прохождения которого световой поток (поток фотонов) уменьшается в е = 2,72 раза.

Зависимость показателя поглощения α от энергии фотонов - h , где – частота фотона, называется спектром поглощения полупроводника (рис.2.2).

При больших энергиях фотонов происходит собственное поглощение с образованием пар электрон-дырка. Показатель поглощения при этом велик. При малой энергии фотонов (меньше ширины запрещенной зоны полупроводника) показатель поглощения уменьшается. При еще меньших энергиях квантов света может происходить примесное поглощение. Примесному поглощению соответствует один или несколько максимумов в спектре поглощения при энергиях квантов света, равных энергиям ионизации примесей. При малых энергиях фотонов основным процессом поглощения является поглощение носителями заряда.

Собственное поглощение света обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости под действием квантов света, т. е. энергия квантов света идёт на ионизацию атомов полупроводника с образованием пары носителей заряда. Собственное поглощение наблюдается, если

hn > Еg = DЭ

В зависимости от DЭ собственное поглощение наблюдается в видимой или ближней ИК области спектра. Ширина запрещённой зоны DЭ определяет положение границы собственного поглощения, т. е. максимальную длину волны кванта, который может поглотиться.

В некоторых полупроводниках при поглощении фотонов образуются особые возбуждённые состояния электронов валентной зоны, называемые экситонами. Экситон- это система из взаимосвязанных собственными электростатическими полями электрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в котором роль ядра играет положительная дырка.