Механизмы собственного поглощения
В случае, когда поглощение кванта оптического излучения полупроводником приводит к переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости, то такое поглощение называют собственным или фундаментальным. Как отмечалось выше, коэффициент поглощения αявляется функцией концентрации поглощающих центров, частоты (длины волны) света, и свойств полупроводника. Концентрация поглощающих центров является определяющим фактором поглощения света полупроводником. Поскольку концентрация атомов основного материала превалирует в любом практически важном полупроводнике, поэтому собственное поглощение (поглощение света с переходом зона-зона) является наиболее важным среди всех остальных видов поглощения. В настоящих лекциях подробно рассмотрим механизмы собственного поглощения. В частных случаях прямых и непрямых переходов или при различных механизмах рассеяния носителей заряда при поглощении свободными носителями зависимости α(hν) имеют существенно различный вид. В частности, характер спектральной зависимости коэффициента поглощения определяется двумя факторами: зависимостью плотности состояний от энергии в обеих разрешенных зонах и зависимостью вероятности перехода W. В квантово-механической теории переходов выводится выражение для α(Е), имеющее вид: (4.8) где А - коэффициент пропорциональности; - сила осциллятора для перехода из состояния с волновым вектором ki в валентной зоне в состояние с волновым вектором kf в зоне проводимости; Nif(Е) - комбинированная плотность состояний, участвующих в оптическом переходе. В свою очередь, сила осциллятора является величиной, пропорциональной вероятности перехода: ~ W2(k) (4.9) Дальнейший анализ сводится к рассмотрению энергетических зависимостей величин, входящих в (4.8) для оптических переходов разного типа. Рассмотрим функциональные зависимости собственного (фундаментального) поглощения света в случае прямых и непрямых переходов. 4.2.1. Прямые переходы. Пусть электрон, из начального состояния в валентной зоне с волновой функцией поглотив квант света, переходит в состояние с волновой функцией в зоне проводимости. Будем считать импульс фотона kph значительно меньшим импульса электрона в начальном и конечном состояниях: kph << ki, kj, (4.10) Тогда закон сохранения импульса при прямом переходе приобретает вид ki = kj, (4.11) Полное число прямых переходов получается суммированием по всем состояниям, для которых справедлив закон сохранения энергии с учетом зависимости вероятности перехода от энергии. Очевидно, что при любой зависимости Е от k в начальной и конечной зонах каждому состоянию в валентной зоне с данным значением вектора ki соответствует только одно состояние в зоне проводимости с тем же значением вектора kf= ki. Таким образом, энергии электрона в начальной зоне Еi и в конечной зоне Еf однозначно определяются энергией фотона. В простейшем частном случае изотропных зон с квадратичным законом дисперсии (Е ~ k2) при данной энергии фотона в процессе прямых переходов принимают участие только состояния, расположенные на сферах с энергиями: и , (4.12) где m*i и m*f – эффективные массы плотности состояний начальной и конечной зон; а E = hν – Eg (4.13) Схема энергетических поверхностей в пространстве, иллюстрирующих прямые переходы, приведена на рис. 4.5. Плотность состояний в валентной зоне в интервале энергий от Еiдо Еi + dEiбез учета спина по аналогии с (2.11) (4.14) Из рис. 4.5 видно, что именно эта плотность состояний участвует в прямых переходах при энергиях фотонов, заключенных в интервале hν ÷ h(ν+dν). Поэтому, комбинируя (4.12) и (4.14), можно представить плотность состояний Nif(Е) в виде: , (4.15) где Е определено выражением (4.13). Таким образом, входящий в (4.8) сомножитель Nif(Е) связан с энергией фотона hv квадратичной зависимостью: Nif(Е) ~ (hv)1/2
Для анализа энергетической зависимости вероятности прямого перехода W(k) разложим ее в ряд в окрестности значений k0: (4.16) Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости сильно зависит от симметрии и четности волновых функций электронов в этих зонах. Если четность волновых функций одна и та же (например, валентная зона получена на основе s-состояний, а зона проводимости – на основе d-состояний (рис. 4.6)), тогда вероятность перехода в точке k=0 равна нулю (т.е. W(k0) =0; хотя для всех k≠0, вероятность W(k) не равна нулю). Если же волновые функции обладают различной четностью (например, валентная зона получена на основе s-состояний, а зона проводимости – на основе p-состояний (рис. 4.6)), тогда вероятность перехода в точке k=0 отлична от нуля (т.е. W(k0)≠ 0). В зависимости от этого различают «разрешенные» или «запрещенные» переходы. Оптические переходы являются разрешенными, если зоны, между которыми происходит переход электронов, образованы из состояний, для которых орбитальные квантовые числа различаются на единицу, а волновые функции электронов в этих зонах имеют различную четность. Например, разрешенным является переход между валентной зоной, образованной из s-состояния, и зоной проводимости, образованной из p-состояния. Оптические переходы являются запрещенными, если зоны, между которыми происходит переход электронов, образованы из состояний, для которых орбитальные квантовые числа различаются на 0 или 2 единицы, а волновые функции электронов в этих зонах имеют одинаковую четность. Например, запрещенными является переход между валентной зоной, образованной из s-состояния, и зоной проводимости, образованной из d-состояния. Из вышеизложенного следует, что для разрешенных прямых переходов W(k0)≠ 0, тогда как для запрещенных переходов – W(k0) =0. Следовательно, для разрешенных переходов в выражении (4.16) можно ограничиться первым членом. Тогда сила осциллятора будет постоянной величиной, не зависящей от энергии Е = hv. Для запрещенных переходов первое слагаемое в (4.16) обращается в ноль, а при подстановке второго слагаемого в (4.9) получаем: ~ k2 ~ E (4.17) Подставив полученные энергетические зависимости величин Nif (4.15) и (4.16 или 4.17) в (4.8), заменив Е на hv (4.13) найдем спектральные характеристики коэффициента поглощения в случаях прямых разрешенных и прямых запрещенных переходов соответственно: α(hν) = A·(hν)1/2 (4.18) α(hν) = B·(hν)3/2 (4.19) Эти выражения справедливы для параболичных зон. Отклонение отпараболичности начальной и конечной зон может быть учтено введением в (4.12) и соответственно в (4.15) эффективных масс, зависящих от энергии. В сильно легированных (вырожденных) полупроводниках, состояния вблизи экстремума соответствующей зоны могут оказаться заполненными носителями заряда. В этом случае край поглощения сдвигается в сторону больших энергий. Этот эффект носит название «бурштейновский сдвиг». При сильном легировании возможен и другой эффект - сужение запрешенной зоны за счет слияния примесной зоны с краем ближайшей разрещенной зоны. Если этот эффект значителен, то край поглощения может сдвигаться в сторону меньших энергий.
4.2.2. Непрямые переходы. Схема, иллюстрирующая непрямые переходы, показана на рис. 4.7. Переход из начального состояния i в валентной зоне в конечное состояние f в зоне проводимости можно рассматривать как двухступенчатый процесс: электрон с импульсом ħki, близким к нулю, под действием света с энергией hv совершает прямой переход в виртуальное состояние α, расположенное в центральной долине зоны проводимости, а затем рассеивается каким-либо центром рассеяния (наиболее часто – фононом) и переходит в конечное состояние f с импульсом ħkf .
Время нахождения электрона в виртуальном состоянии ничтожно мало, поэтому для всего перехода в целом имеет место сохранение энергии. Полная вероятность непрямого перехода Wt определяется уже известной нам вероятностью прямого перехода W и вероятностью рассеяния электрона Ws. Поскольку основным механизмом рассеяния носителей при комнатной температуре является рассеяние на квантах колебания решетки (на фононах), непрямой переход является переходом с участием как минимум трех физических тел – электрона, фотона и фонона. Таким образом, непрямые или невертикальные переходы осуществляются с испусканием или с поглощением фононов. Теоретическое рассмотрение составляющих процессов непрямого перехода дает соотношение: , (4.20) где Eg0- ширина запрещенной зоны в точке k= 0; Еа, Eg, Еf показаны на рис. 4.7. Если предположить, что Ws не зависит от частоты фотона, то энергетическая зависимость полной вероятности непрямого перехода будет определяться, лишь знаменателем в (4.20) и энергетической зависимостью вероятности прямого перехода W(Е), которая появляется, как было показано, для запрещенных переходов. Если для полупроводника выполняется неравенство Ego - Eg >> Еа, Еf (4.21) (это, например, имеет место в кремнии), то знаменатель в (4.20) можно положить равным Ego - Eg и, следовательно, Wt = const·W (4.22) Для определения коэффициента поглощения α(hv) снова используем выражение (4.8) с учетом (4.9). Тогда для невырожденного полупроводника в случае непрямых разрешенных переходов после подстановки Nif ~E2 и W = const получаем: α(hν) = C·(hν)2 (4.23) В случае непрямыхзапрещенных переходов в (4.8) подставляем (4.17) при том же Nif ~E2. В результате получим: α(hν) = D·(hν)3 (4.24) где С и D - коэффициенты пропорциональности. Сопоставление значений а (hv) для прямых и непрямых переходов показывает, что в случае прямых переходов полупроводники поглощают свет значительно сильнее. (рис. 4.8). Это легко объяснимо, поскольку вероятность процесса, происходящего с двумя частицами (электрон и фотон), больше, чем с тремя частицами (электрон, фотон, фонон).
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (856)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |