Оптическая и квантовая электроника: Методические указания к лабораторным работам № 1-4: Поглощение света в полупроводниках. Статические характеристики оптопар

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОПТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Для студентов IV курса РЭФ дневного и заочного отделений.

Составители: В.А. Гайслер, д.ф.-м. н.

Н.И. Филимонова, ст.преп.

Рецензент Е.А. Макаров к. ф.-м. н., доцент.

НОВОСИБИРСК

2007

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

1.  Цель работы.

Цель: Ознакомиться с явлением собственного поглощения света, усвоить методику проведения спектральных экспериментов. Определить ширину запрещённой зоны полупроводника.

2.  Поглощение света в полупроводниках.

Поглощение электромагнитного излучения твердым телом может осуществляться различными путями. В силу адиабатического приближения все процессы, приводящие к оптическому поглощению можно разбить на две группы: 1) процессы, в результате которых энергия электромагнитного поля передается электронной подсистеме, т.е. поглощение фотона сопровождается переходом электрона в более высокое энергетическое состояние; и 2) процессы, в результате которых энергия электромагнитного поля передается непосредственно решётке, т.е. поглощение фотона сопровождается возбуждением одного или нескольких фононов. Этим двум случаям в идеальном кристалле соответствуют собственное межзонное фундаментальное поглощение и собственное решёточное поглощение.

Наличие свободных носителей заряда и примесей в реальных полупроводниках приводят к появлению дополнительных механизмов поглощения. В связи с этим в полупроводниках различают пять основных типов оптического поглощения: 1) фундаментальное или собственное поглощение 2) решёточное поглощение 3) примесное поглощение 4) экситонное поглощение и 5) поглощение свободными носителями.

При прохождении электромагнитного излучения через вещество вследствие отражения от поверхности и поглощения в объёме материала его интенсивность уменьшается по закону Бугера-Ламберта:

I=I₀ (1-R)²exp(- ad)                                                          (1)

где I₀ – интенсивность света, падающего на образец; R – коэффициент отражения света; a - коэффициент поглощения света; d – толщина полупроводникового образца.

Обратная величина коэффициента поглощения (a^-1) соответствует расстоянию, на котором интенсивность света уменьшается в e раз. Зависимость коэффициента поглощения от энергии фотона или длины волны излучения называется спектром поглощения.

Коэффициент отражения света R определяется как отношение интенсивности отражённого света к интенсивности падающего на поверхность полупроводника света. Это величина безразмерная, имеющая значения от 0 до 1. Зависимость коэффициента отражения от энергии фотона или длины волны излучения называется спектром отражения. При нормальном падении света на образец коэффициент отражения определяется следующим образом:

                                                                  (2)

где – показатель преломления вещества. Например, для кремния n=3.5, для арсенида галлия n=3.62.

Отношение интенсивности прошедшего через образец света к интенсивности падающего на полупроводник света называется коэффициентом пропускания Т. Коэффициент пропускания света тоже является безразмерной величиной, принимающий значения от 0 до 1. Из (1) следует:

T= I/I₀ = (1-R)²exp(- ad)                                                             (3)

В спектральном эксперименте определяется именно коэффициентом пропускания. Коэффициент отражения рассчитывается по формуле (2) по известному показателю преломления, либо определяется экспериментально.

При нормальном падении света на образец, пренебрегая многократным отражением от границ образца, коэффициент поглощения света можно определить из соотношения (3) следующим образом:

a = (- 1/d)ln(T/(1-R)²)                                                             (4)

Здесь d толщина образца в сантиметрах, тогда коэффициент поглощения – в обратных сантиметрах (см^-1).