Собственное поглощение. 
Методы измерения энергетических параметров полупроводников

Если энергия фотонов hщ> ДEg, где ДEg — ширина запрещенной зоны, то возможны переходы электронов из валентной зоны (Vзоны) в зону проводимости (С-зону). При этом наблюдается сильное поглощение света полупроводником. Его принято называть собственным или фундаментальным.

Характер собственного поглощения существенно зависит от структуры энергетических зон полупроводника. Известные в настоящее время полупроводники в соответствии с конфигурацией зон делятся на 2 основных вида. У первого из них минимум энергии в С-зоне, характеризуемый волновым вектором kmin, и максимум энергии в V-зоне, определяемый волновым вектором kтах, расположены в одной и той же точке зоны Бриллюэна (обычно при k = 0). Другими словами, у таких полупроводников kmjn = kтах (рис.13а) и они называются прямозонными.

а б Рис. 13. Энергетические диаграммы прямозонного (а) и непрямозонного (б) полупроводников.

У второго типа полупроводников абсолютные экстремумы в С-зоне и V-зоне находятся в разных точках зоны Бриллюэна. Такие полупроводники называются непрямозонными (рис.13б).

Оптические переходы в полупроводниках

Рассмотрим квантовый переход из состояния j в состояние/ при поглощении фотона ЙСО и определим, при каких условиях он возможен. Диаграмма взаимодействия для процесса поглощения фотона имеет вид:

При взаимодействии электрона с фотоном могут осуществляться только переходы без изменения волнового вектора, т. е. между состояниями, расположенными в одной и той же точке k-пространства (зоны Бриллюэна). На диаграмме такой переход изображается вертикальной линией и называется прямым или вертикальным переходом (рис. 14).

В непрямозонных полупроводниках процесс перехода должен сопровождаться поглощением или испусканием фонона. Такому переходу соответствует соответствует следующая диаграмма взаимодействия:

Если начальное состояние принадлежит V-зоне, а конечное состояние — непрямому экстремуму, то процесс поглощения фотона можно изобразить следующим образом (рис. 15).

Рис. 15. Непрямой оптический переход

Под воздействием электромагнитного возмущения электрон переходит из состояния в промежуточное, виртуальное состояние. Таким состоянием должно быть реально существующее, например, более высоко лежащее состояние С-зоны (переход 1). Время пребывания электрона в этом промежуточном состоянии чрезвычайно мало, так что неопределенность в энергии может быть достаточно велика. При переходе в виртуальное состояние закон сохранения энергии не соблюдается. Находясь в виртуальном состоянии, электрон взаимодействует с фононом, (переход 2), в результате чего электрон переходит в конечное состояние. Полный переход возможен, если соблюдаются законы сохранения энергии и волнового вектора.

Оптические переходы между состояниями с различными к называются непрямыми. Они разрешены лишь во втором приближении теории возмущений, поэтому их вероятность существенно ниже, чем прямых.

Край собственного поглощения при прямых переходах в координатах бщ2= f (hщ) и будет представлять собой прямую линию, пересекающую ось энергий в точке hщ=AEg (рис. 16).

Однако при исследовании края собственного поглощения арсенида галлия было обнаружено, что экспериментальные данные существенно отличаются от теоретических как по значению коэффициента поглощения, так и по форме спектра (рис. 17). Это отличие объясняется тем, что при выводе не учитывалось взаимодействие между созданными в результате поглощения электроном и дыркой. На самом деле взаимодействующие электрон и дырка образуют новую квазичастицу, называемую экситоном, которой можно приписать свою кинетическую энергию, связанную с движением центра масс, и внутреннюю энергию, обусловленную кулоновским взаимодействием. Систему электрон-дырка, являющуюся экситоном, можно считать аналогичной атому водорода. В отличие от атома водорода экситон является возбужденной неравновесной частицей. Он может исчезнуть либо в результате теплового «довозбуждения», т. е. термической диссоциации, либо вследствие аннигиляции с испусканием кванта света.

Рис. 17. Край собственного поглощения арсенида галлия, измеренный при различных температурах: 1,3 — рассчитанный по формуле; 2,4 — экспериментальные кривые

Рассмотрим край собственного поглощения полупроводниковых материалов с непрямой зонной структурой (Рис.18) Он спрямляется в координатах бщ½=f (hщ).

Рис. 18 Край собственного поглощения при непрямых переходах

Исследование спектров фотопоглощения полупроводников позволяет определить тип оптического перехода, энергию запрещенной зоны. При исследовании образцов с квантовыми точками, ямами или нитями можно определить энергетическую структуру уровней.

Получение спектральных кривых фотопоглощения производится в специальных оптических приборах, схожих с теми на которых получают спектры люминесценции. Часто используются приборы, в которых можно получать и тот и другой спектр. Пример такого прибора будет рассмотрен ниже.