Элементы физики фотовозбуждений в твёрдом теле

Прохождение света через полупроводниковый образец толщиной d характеризуется пропусканием Т:->

где a - показатель ослабления света при прохождении образца. Дефицит в балансе энергии определяет поглощённую долю излучения. В полупроводнике различают пять основных типов поглощения: собственное, примесное, поглощение собственными носителями, экситонное и поглощённое решёткой.

Собственное (фундаментальное) поглощение - поглощение, при котором электроны, приобретая дополнительную энергию, переходят из валентной зоны в зону проводимости. Отличают два основных вида конфигураций зон. В первой волновой вектор k_min в минимуме энергии зоны проводимости совпадает с k_max при максимуме энергии валентной зоны - рис.15. Примером являются полупроводник InSb, а конфигурация называется прямозонной. У второй конфигурации .

К полупроводникам с непрямой зоной относится наибольшее число известных полупроводников, например, Ge. Спектральные зависимости Si и Ge показывают быстрый рост поглощения в кремнии при энергии кванта, достаточной для межзонного перехода, т.к. и переброс электрона в зону проводимости происходит с изменением его квазиимпульса. Такой переброс требует участия в процессе возбуждения кроме фотона и электрона ещё и какой-нибудь третьей частицы, например, фонона. Переходы с участием третьей частицы и называют непрямыми. Но при увеличении энергии фотона начинается такое возбуждение, электронов, при котором происходит и прямой (вертикальный) переход. Для параболической зоны проводимости для разрешенных прямых переходов при k=0 у срая собственного поглощения

в Ge и Si прямые переходы согласно правилам отбора запрещены и . И при этом вероятность прямого перехода увеличивается пропорционально , т.е. (hn-DW). Тогда

При этом А и А’ зависят от эффективных масс носителей.

Вообще говоря, непрямые переходы можно разбить на ряд поэтапных процессов, введя виртуальные состояния. Минимальная энергия кванта для совершения непрямого перехода (Е_ф - энергия поглощённого фотона) в случае поглощённого фонона и для перехода с испусканием фонона. Это проявляется в появлении слагаемого для непрямых переходов:

где А’’- постоянная, прямо не зависящая от температуры.

Температура и давление оказывают существенное влияние на спектр собственного поглощения полупроводника, поскольку DW зависит от них. При повышении температуры DW, как правило, уменьшается из-за изменения характера взаимодействия электрона с решёткой. При увеличении давления сами лбе зона сужаются (например в германии). DW растёт, краё собственного поглощения смещается в область коротких длин волн.

Примесное поглощение. При наличии в запрещённой зоне энергетических уровней примесей обмен носителями заряда между ними и собственными разрешёнными зонами осуществляется при участии фотонов с энергией меньше DW. Полосы примесного поглощения располагаются за длинноволновым краем собственного поглощения. Примесные атомы с малой энергией ионизации при комнатной температуре почти все ионизованы в результате термического возбуждения. Поэтому селективное поглощение можно наблюдать лишь при низких температурах.

Глубокими примесными уровнями называют те, вероятность термической ионизации которых при комнатных температурах мала. Проявление глубоких уровней у примесных центров и дефектов структуры происходит в процессе рекомбинации неравновесных носителей с определёнными скоростями в условиях определённой спектральноё фоточувствительности. Глубокие примесные уровни определяют во многом свойства полупроводниковых фотоприёмиков. Коэффициент примесного поглощения для hn»W_a(энергия активации примесного уровня, эВ):

N - концентрация примеси, см^-3, А^»-const. Примесные центры могут быть многозарядными. Переходы электронов из основного состояния примеси в возбуждённое приводят к появлению в спектре нескольких полос.

Поглощение собственными носителями заряда. За краем фундаментальной полосы поглощения при достаточной концентрации носителей тока в полупроводнике наблюдается неселективное поглощение за счёт электронного поглощения внутри разрешённой зоны. Это наблюдается в Ge, Si, In, Sb и др. Оно происходит с нарушением правил отбора, т.е. в силу закона сохранения квазиимпульса с испусканием или поглощением фонона. При большом удалении от фундаментального края

n - концентрация электронов, m_n - подвижность носителей см²В^-1с^-1, m₀, l (мкм) (справедлива и для свободных дырок). Для l» 1мкм поглощение становится заметным начиная с n около 10¹⁵-10²⁰ см^-3. Характерной особенностью этого типа поглощения является зависимость a пропорциональна l². Однако при учёте квазиимпульса на фононах a пропорциональна l^3/2, а на ионных примесных центрах a пропорциональна l^7/2. Может возникнуть селективный характер, связанный с проходами носителей между всеми ветвями сложной валентной зоны.

Экситонное и решёточное поглощения. Электрон и дырка могут посредством решётки образовывать связанную систему - экситон. В некоторых полупроводниках (например, CdS,Cu₂O) они могут быть ответственны за ещё один канал поглощения. Упрощенно экситон может быть представлен композитом, связанным кулоновским взаимодействием. Энергия возбуждённого экситона оказывается меньше DW и его поглощение в спектре проявляется в виде тонкой структуры у края фундаментального поглощения. Экситонное поглощение не даёт вклада в фотопроводимость, поэтому это лишь фактор снижения фотоэлектронных свойств полупроводника.

Дата добавления: 2015-12-08