Собственное поглощение сопровождается возникновением фотопроводимости материала, являющегося диэлектриком в отсутствие облучения. В теории рассматриваются прямые и непрямые оптические переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. Коэффициент поглощения, обусловленного прямыми переходами, определяется соотношением
(2.4.20)
где B - некоторый коэффициент, hn - энергия квантов, Eg - ширина запрещенной зоны. Соотношение (2.4.20) выполняется в ограниченной области изменения (hn - Еg), обнаруживаются также области значений hn, где зависимость a2 от hn является линейной, что позволяет определить ширину запрещенной зоны Еg, (рис.2.4.6) для прямых переходов.
Рис.2.4.6.Определение ширины запрещенной зоны Eg для прямых оптических переходов по зависимости
квадрата коэффициента поглощения от энергии фотонов
Край полосы поглощения многих материалов бывает размыт вследствие наличия экситонных и примесных состояний, что требует тщательного проведения спектрометрических измерений при пониженных температурах. Так, на спектрах, приведенных на рис.2.4.4, пики поглощения объясняются потерями энергии на создание экситонных состояний. Например, в спектре GaAs (рис.2.4.4,в) край полосы оптического поглощения соответствует ~1,513 эВ, ширина запрещенной зоны Еg = 1,521 эВ, энергия связи экситона соответствует положению пика экситонного поглощения и составляет около 0,0034 эВ. Наличие нескольких пиков (рис.2.4.4,а,б) объясняют существованием нескольких разрешенных энергетических состояний для экситонов.
Поглощение свободными носителями зарядов позволяет из экспериментов по поглощению излучения за краем собственного поглощения получить важные данные о концентрации носителей (неселективное поглощение), о механизме и времени релаксации рассеяния энергии путем взаимодействия с акустическими фононами, оптическими фононами и ионизованными примесями. Примесное поглощение, особенно важное в полупроводниках с донорными и акцепторными примесями, становится заметным при пониженных температурах, когда примеси еще термически не ионизованы.
Полосы примесного поглощения соответствуют меньшим энергиям фотонов в сравнении с излучением, вызывающим прямые межзонные переходы и поэтому располагаются только за краем полосы собственного поглощения, в инфракрасной области.
Также в далекой инфракрасной области располагаются и полосы
решеточного или фононного поглощения в кристаллах. При количественном рассмотрении этого типа поглощения учитывается закон сохранения квазиимпульса: поглощаться могут лишь такие фотоны, импульс которых равен квазиимпульсу фононов. Поскольку импульс фотона h/l пренебрежимо мал в сравнении с квазиимпульсом фонона, который может достигать h/a, где a - параметр решетки, то приходится
предполагать участие в реакции взаимодействия нескольких фотонов
одновременно. В случае лазерного облучения с высокой плотностью потока такие процессы весьма вероятны, что привело к рождению отдельной области знания - нелинейной оптики. Понятно, что характеристики оптических спектров решеточного поглощения позволяют сделать определенные выводы и о фононных спектрах исследуемых решеток.
Многие монокристаллы и поликристаллы, полученные по керамической технологии, стекла и ситаллы, являющиеся диэлектриками, выглядят как прозрачные конгломераты.
Прозрачность веществ, по современным представлениям обусловливается отсутствием в них электронных или колебательных (фононных) переходов при воздействии фотонов из видимой области спектра электромагнитных волн (740...360 нм). Заметим еще попутно, что в отсутствие заметного поглощения мелкие порошки тех же веществ выглядят в отраженном свете в виде белой или слегка окрашенной массы. Такая окраска полностью обусловлена рассеянием света на мелких частицах.
Переохлажденные расплавы многих оксидов, которые мы называем стеклами, щелочно-галоидные кристаллы NaCl, KBr, LiF и другие, кристаллы окисей магния, алюминия, чистые алмазы и многие другие вещества выглядят прозрачными и неокрашенными, так как ширина запрещенной зоны в них при комнатной температуре заметно превышает 3,5 эВ - граничную максимальную энергию фотонов видимой части спектра. Таким образом, энергии квантов излучения, принадлежащего видимой области спектра, недостаточно для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, электроны участвуют лишь в передаче энергии волны от атома к атому без ее потерь. Эти кристаллы могут приобретать окраску под действием ультрафиолетового, рентгеновского и g - излучений, кванты которых характеризуются энергией, достаточной для создания дефектов в кристаллической решетке - электронов и дырок, дающих полосы поглощения в видимой части спектра.
Кристаллы серы и сульфида кадмия прозрачны, но имеют желтую или желто-оранжевую окраску. В этом случае окраска обусловлена тем, что ширина запрещенной зоны серы составляет 2,1 эВ, а у сульфида кадмия - 2,42 эВ. Энергии квантов синей части спектра оказывается достаточно для преодоления электронами этих веществ запрещенной зоны, недостаток этих длин води в спектре проходящих лучей и обусловливают видимую окраску этих веществ.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.