Фундаментальное поглощение определяется межзонными переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. В зависимости от энергетического расстояния между этими зонами такое поглощение наблюдается от инфракрасной до рентгеновской области спектра, включая видимую и ультрафиолетовую области. Так как в твердом теле имеется множество заполненных и свободных энергетических зон, каждая из которых в свою очередь состоит из нескольких подзон, то в спектрах фундаментального поглощения наблюдается ряд широких полос с собственной структурой, что определяется сложным строением каждой из зон.
Минимальная энергия фотонов, при которой начинается собственное поглощение в идеальных кристаллах определяется минимальным энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, т.е. шириной запрещённой зоны полупроводника Eg . Область вблизи hv ≈Eg называется краем собственного поглощения. Именно эта область представляет наибольший интерес, т.к. дает информацию об энергетических состояниях электронов вблизи потолка валентной зоны и вблизи абсолютного минимума зоны проводимости. Форма края собственного поглощения определяется прежде всего особенностями структуры энергетических зон материала.
В кристаллах с прямой структурой энергетических зон, у которых максимум валентной зоны и абсолютный минимум зоны проводимости расположены в одной точке пространства квазиимпульсов, край собственного поглощения определяется прямыми оптическими переходами из валентной зоны в зону проводимости, при которых волновой вектор (квазиимпульс) электрона практически не меняется. В кристаллах с непрямой структурой энергетических зон, у которых максимум валентной зоны и абсолютный минимум зоны проводимости расположены в разных точках пространства квазиимпульсов, край собственного поглощения определяется непрямыми оптическими переходами, в результате которых квазиимпульс электрона существенно меняется.
При прямых переходах поглощение начинается, когда энергия фотона будет равна ширине запрещённой зоны полупроводника hv ≈Eg. Спектр поглощения для разрешённых прямых переходов определяется следующим выражением:
a = A(hv- Eg)1/2 (5)
В коэффициент пропорциональности А входят квадрат
матричного элемента электрон-фотонного взаимодействия, приведенная эффективная
масса m3/2 и другие константы материала.
Например, для GaAs А≈104 см-1эВ-1/.2
следовательно, в случае hv- Eg=0,01эВ коэффициент поглощения a≈103 см-1,
т.е. собственное поглощение для прямых разрешенных переходов очень быстро
возрастает с увеличением энергии фотонов при 
.
В реальном полупроводнике, содержащем примеси, свободные носители заряда или другие дефекты, край собственного поглощения будет отличаться от (5) в связи с возникновением хвостов плотности состояний и отличием функций плотности состояний вблизи ЕС и EV от параболического закона дисперсии. Это в свою очередь приведёт к возникновению характерных экспоненциальных хвостов на краю собственного поглощения прямозонного полупроводника (рис.1.1.).
Рис.1.1. Влияние хвостов плотности состояний на край поглощения GaAs при комнатной температуре. Пунктир – теоретическая кривая, соответствующая формуле (5); кружки – экспериментальная кривая.
Рис.1.2. Зависимостьть a1/2(hv) при разных температурах для кремния.
При непрямых переходах изменение квазиимпульса электрона происходит за счёт взаимодействия электронов с фононами, имеющими большой квазиимпульс. Непрямые переходы осуществляются с испусканием или поглощением фононов.
Эти переходы определяют поглощение, расположенное с длинноволновой стороны у границы собственного поглощения, обусловленного прямыми переходами. У полупроводника с непрямыми долинами в случае непрямых переходов возможны переходы из любого занятого состояния валентной зоны в любое свободное состояние зоны проводимости. Спектр поглощения для непрямых переходов определяется следующим выражением:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.