Поглощение света в кристаллах

Интенсивность света, проходящего через вещество, постепенно уменьшается. Поглощение электромагнитного излучения твердым телом осуществляется различными путями:

1) энергия излучения расходуется на перевод электронов в более высокое энергетическое состояние;

2) энергия электромагнитного поля передается кристаллической решетке и превращается в тепло.

Возможные переходы электронов в кристаллах под действием света показаны схематично на рис. 6-1. Здесь Е_с – энергия, соответствующая нижнему краю зоны проводимости, E_v – верхнему краю валентной зоны.

Рис. 6-1. Основные электронные переходы при поглощении света в кристаллах (а),

прямые и непрямые межзонные переходы (б)

Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне; он возможен при энергии фотона большей ширины запрещенной зоны и соответствует собственному (т.н. фундаментальному) поглощению. В момент возникновения созданные светом носители заряда могут и не находиться в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. Однако вследствие взаимодействия с ней эти носители очень быстро (примерно за 10 ^-10 с) передают решетке свою избыточную энергию (этот процесс называется термализацией), и поэтому распределение по энергиям избыточных и основных носителей заряда будет одинаковым.

При поглощении света твердым телом возможно и такое возбуждение электрона валентной зоны, при котором он не переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную кулоновскими силами систему, называемую экситоном (переход 2). Переходы 3 и 4 соответствуют переходам с локальных или на локальные уровни примеси. В ряде полупроводников возможны переходы электрона с акцепторного уровня на свободный донорный уровень (переход 5) или на некоторый связанный внутрицентровый уровень (переход 6). Наконец, возможно поглощение и свободными электронами в зоне проводимости (переход 7).

Рис. 6-1-б демонстрирует различные варианты выполнения законов сохранении энергии и импульса в процессе поглощения света. Переход 1 называется прямозонным, а переходы 1’ и 1’’ являются, соответственно, непрямозонными. В этих переходах явно задействованы также фононы для выполнения законов сохранения.

Экспериментально установлено, что уменьшение потока излучения при его поглощении в среде толщиной dL пропорционально величинам пройденного пути и потока Ф падающего излучения

dФ = -αФ dL

где α – коэффициент пропорциональности, получивший название показателя поглощения. Разделяя переменные и интегрируя, получим т.н. закон Бугера-Ламберта

Ф = Ф₀ exp(-αL)

В случае собственного поглощения излучения α ~ 10⁵ см ^-1, при учете только примесного поглощения α ~ 10-100 см ^-1, т.к. концентрация примеси обычно существенно меньше, чем концентрация атомов основного вещества.

Типичный спектр поглощения света твердым телом показан на рис. 6-2.

Рис. 5-2. Зависимость показателя поглощения от энергии кванта света

Собственное поглощение света начинается при частоте ν₀ (область 1), на краю которого при низких температурах хорошо проявляется структура экситонного поглощения света (область 2). Примесное поглощение создает полосы 3-6. в широком диапазоне присутствует слабое поглощение света свободными носителями заряда – полоса 7, и наконец, при малых энергиях квантов излучения хорошо выделяется участок 8, связанный с поглощением ионами кристаллической решетки. В этом случае световая энергия превращается в энергию колебаний ионов, соответствующих т.н. оптической ветви колебаний.

6.2. Фотопроводимость и фотоэффект в p-n-переходах и гетероструктурах

Поглощение света, как уже отмечалось ранее, может привести к появлению в разрешенных зонах избыточных носителей, которые в присутствии электрического поля принимают участие в переносе заряда. Эту дополнительную проводимость называют фотопроводимостью, а само явление – внутренним фотоэффектом. Максимальная длина волны, при которой свет еще вызывает фотопроводимость, называется длинноволновой границей внутреннего фотоэффекта. Эта длина волны в зависимости от механизма поглощения света приблизительно рассчитывается по формулам:

λ_max = hc/ΔE или λ_max = hc/E_п

где ΔE – ширина запрещенной зоны; E_{п -} энергия активации примесных атомов или собственных дефектов кристаллической решетки (E_п соответствует энергии переходов типа 3 и 4 на рис. 5-1).

Подбором полупроводника и его примесного состава можно создавать фотоэлементы (фотосопротивления), чувствительные к свету в широком диапазоне от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области спектра. В частности, наиболее чувствительные фотосопротивления в видимой области спектра изготавливаются из сульфида кадмия CdS (фотопроводимость может в 10⁵ – 10⁶ раз превышать темновую проводимость). Они находят широкое применение в экспонометрах, автоматических затворах фотоаппаратов и т.д. Для инфракрасного диапазона широко используются фотосопротивления из сернистого свинца PbS и антимонида индия InSb..

Отдельно надо сказать о работе фотоэлементов с запирающим слоем, например, в виде диодов с p-n-переходом. Если на p-n-переход направить поток фотонов с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, то по обе стороны от перехода и в самом переходе возникают пары электрон-дырка. Если на диод подано запирающее напряжение, при котором через переход идет очень малый ток неосновных носителей, то при фотогенерации электронно-дырочных пар возникнет относительно большой ток через переход, который может быть легко зарегистрирован на сопротивлении R во внешней цепи в виде скачка напряжения.

В настоящее время фотодиоды, обладающие гораздо лучшими частотными (импульсными) характеристиками, чем фоторезисторы, являются основой т.н. многоэлементных фотоприемных устройств (МФПУ), реализуемых в виде линеек и матриц фотодетекторов с соответствующими элементами считывания на базе ПЗС- и ПЗИ-приборов. Подобные МФПУ являются важнейшей частью современных тепловизионных и телевизиоонных установок. Вопросы создания и эксплуатации матричных ФПУ являются важнейшей задачей целого раздела технической физики – фотоэлектроники. Здесь все шире начинают использоваться фотоприемники на основе квантовых ям и квантовых точек, т.е. низкоразмерных гетероструктур, рассмотренных ранее в IV главе.

Заключение

Вполне возможно, что многие студенты, изучившие данное пособие, а также, вероятно, впоследствии и многие другие источники, станут специализироваться в областях, напрямую связанных с физикой твердого тела. Для кого-то это будут проблемы прочности и химической стойкости твердых тел, для других в центре интересов окажутся задачи электропроводности или фотоэлектроники, но следует все время помнить, что все разделы физики твердого тела имеют общую основу, а именно нерелятивистскую квантовую механику многих частиц. И здесь имеется еще огромное количество вопросов, которые необходимо интенсивно исследовать, чтобы обеспечить твердую научную базу для создания новых материалов и технологий, включая и такую перспективную сферу, как нанотехнологии и наноматериалы.

Дополнительная литература

1. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1985

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005

3. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2001

4. Гуртов В.А., Осауленко Р.Н. Физика твердого тела для инженеров. М.: Техносфера, 2007

5. Мартинес-Дуарт Дж.М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники. М.: Техносфера, 2007

6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: ИЦ «Академия», 2005