Поглощение света веществом. Закон Бугера.

При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Интенсивность света при прохождении уменьшается по закону Бугера

(109)

Здесь I₀ – интенсивность света при входе в поглощающий слой, x – толщина слоя, – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света.

Спонтанное и вынужденное излучение

Рассмотрим излучение на примере двух уровней – основного и возбужденного с энергиями E₁ и E₂. При переходе электрона с уровня E₂ на E₁ энергия системы уменьшается, а избыток энергии излучается в виде кванта

hn₂₁= E₂–E₁

В этом случае говорят о спонтанном излучении. Эйнштейн предположил, что если в подобной ситуации около атома пролетает фотон, энергия которого в точности равна hn₂₁, то может произойти вынужденный (индуцированный) переход электрона с уровня E₂ на E₁. Это и есть вынужденное излучение, благодаря которому появились усилители излучения – квантовые генераторы.

Зонная теория твердого тела.

Энергетические зоны в кристаллах.

Уровень Ферми

Электроны в отдельном атоме могут занимать лишь определенные энергетические уровни. Самый нижний уровень соответствует основному состоянию, а более высокие уровни – возбужденным состояниям. В твердом теле разрешенные энергетические уровни вследствие взаимодействия атомов размываются, превращаясь в высокие полосы или зоны. Внешние электроны могут оказаться в одной из двух зон: либо в нижней валентной зоне, соответствующей основному состоянию, либо в верхней – зоне проводимости. Электроны не могут иметь энергии в запрещенной щели между этими двумя зонами. Обычно электроны находятся в валентной зоне, где они сильно связаны с отдельными атомами. У хорошего диэлектрика валентная зона заполнена, а щель между зонами довольно широка (>1эв).

Свободных состояний, которые могли бы занять электроны, нет, перейти через запрещенную зону электроны могут лишь изредка (случайные столкновения с другими электронами).В хорошем проводнике такой щели нет и электроны свободно перемещаются по решетке кристалла, обеспечивая его высокую проводимость

Рис. 30

В чистых полупроводниках щель невелика и некоторая часть электронов (небольшая) может переходить из валентной зоны в зону проводимости, что обеспечивает слабую проводимость полупроводников. С повышением температуры число перешедших электронов будет расти и сопротивление его падает.

В легированных проводниках примеси создают дополнительные уровни энергии между зонами. В полупроводниках n–типа примесный энергетический уровень лежит чуть ниже дна зоны проводимости.

Электроны на этом уровне могут легко получить дополнительную энергию для перехода в зону проводимости. Так как этот уровень поставляет электроны в зону проводимости, он называется однородным.

В полупроводниках р–типа примесный валентный уровень расположен чуть выше потолка валентной зоны.

Рис. 31

Он называется акцепторным, так как электрон из валентной зоны легко может переходить на него. В результате образуется положительно заряженная дырка. При заполнении дырок электронами она перемещается, обеспечивая проводимость полупроводника. Если полупроводник n–типа соединить с полупроводником р–типа, то получим диод с р–n-переходом. Каждый из полупроводников в отдельности электронейтрален, но в результате соединения, количество электронов вблизи контакта перейдет за счет диффузии из полупроводника n–типа в полупроводник р–типа и заполнит там некоторое количество дырок. В результате полупроводник n–типа положительный заряд, а полупроводник р–типа – отрицательный. Возникает разность потенциалов, которая воспрепятствует дальнейшей диффузии электронов. Если подключить к такой системе источник напряжения, то получим транзистор. Можно сделать транзисторы типа р-n-р или n-р-n.

Рис.32

Уровень Ферми

Уровень Ферми представляет энергию электрона на высшем занятом уровне. Например, если в ящике есть n электронов, то по принципу Паули они займут n/2 уровней (на каждом уровне по два электрона с противоположными спинами). Энергии Ферми будет отвечать уровень с номером n/2.