Поглощение в Германии

К оптическим материалам предъявляют жесткие требования, и основным показателем здесь является минимальный коэффициент поглощения на определенной длине волны.

Усилия технологов и физиков направлены на улучшение этой наиболее существенной характеристики ИК — материалов.

По литературным данным обычного заводского германия: см^-1. Разброс в качестве кристаллов очень велик. Сейчас существует несколько методов получения германия для ИК — оптики с существенно меньшими потерями. Это дополнительная очистка сырья, она приводит к уменьшению до см^-1.

Отчего же зависит поглощение — от всех внешних воздействий, которые способны изменить состояние атомов основного вещества, примесей, дефектов, колебаний решетки. Коэффициент поглощения зависит от материала и от длины волны света. Чем меньше длина волны, тем больше поглощение.

Пусть на поверхность образца падает световой поток интенсивности N0. По мере проникновения в глубь полупроводника интенсивность будет изменяться за счет поглощения. Чем больше величина, тем резче спадает интенсивность лучистого потока от поверхности в глубь материала. Закон, по которому плотность потока убывает с координатой, имеет вид:

Поглотилось в образце.

при , — мал и — мал при, в е раз при, поток полностью поглощается.

Когда мала, энергия фотона обратно пропорциональна длине волны:

Чем больше энергия падающего излучения, тем больше вероятность разорвать электронную связь атомов кристаллической решетки и образовать электронно-дырочные пары. Т.к. атомов решетки очень много, то следует ожидать большего поглощения.

По мере увеличения, будет падать. (энергия образования электронно-дырочной пары) соответствует границе собственного поглощения. Для германия =1,72 мкм. Фотоны с энергией образовывать электронно-дырочные пары уже не способны. Однако в полупроводниках всегда присутствуют примеси, имеющие более слабую связь с решеткой и имеющие гораздо меньшую концентрацию, чем концентрация атомов полупроводника. Следует ожидать, что, соответствующая примесному поглощению, будет гораздо меньше, чем в случае собственного поглощения. Но будет зависеть еще и от концентрации примеси, чем больше концентрация, тем ниже .

Вся примесь ионизирована, но с другой стороны свободные электроны и дырки в кристалле сами способны поглощать фотоны. Дело в том, что увеличение с ростом при вызвано поглощением света на свободных носителях. Волна часть своей энергии отдает на ускорение движения свободных носителей. Атомы примеси она ионизировать не может, т.к. они уже ионизированы.

Теперь подробнее рассмотрим поглощение в германии. Зависимости поверхностного и объемного поглощения в германии на 10,6 мкм от и состояния поверхности измерены с помощью адиабатической калориметрии. Установлено, что при обычной оптической полировке (Al₂О₃) до 50% полного поглощения в образце толщиной 1 см может быть приписано поверхности. Последующая полировка коллоидным кварцем уменьшала этот поверхностный вклад в полное поглощение до 10%. Остаточное поверхностное поглощение не было обусловлено летучими примесями, которые можно было удалить вакуумированием. Было установлено, что оптимальное удельное сопротивление германия, имеющего наименьший коэффициент объёмного поглощения при комнатной температуре находится в диапазоне 10−40 Ом см.

Установлено также, что поверхностное поглощение образцов германия, изготовленных с помощью механической обработки алмазным инструментом может быть ниже, чем для образцов, нормированных коллоидным кварцем, хотя во многих случаях оно было значительно большим.

Для полупроводника может быть представлен:

— поглощение, обусловленное основными межзонными электронными переходами (характерен для коротковолновой области).

— фононное поглощение (характерен для длинноволновой границы полосы пропускания).

и — механические поглощения, обусловленные переходами свободных носителей в валентной зоне и зоне проводимости.

— сечение дырочного поглощения.

— электронного.

и — концентрации электронов и дырок соответственно.

) — примесные поглощения (в объёме и на поверхности кристалла).Поглощение, обусловленное свободными носителями, может иметь место по всей области прозрачности и проявляться в виде широкого, не имеющего резко выраженных особенностей спектра, описываемого выражением:

где x = 1,53,5, в зависимости от материала.

Для германия х~2.

В полупроводнике коэффициент поглощения, обусловленный свободными носителями может быть изменён путем внесения примесей с соответствующим типом проводимости (т.е. изменяя N или p), т. к. Капрон и Брилл определили (по измерению коэффициента) при 10,6 мкм, как функцию типа проводимости (N и p) и удельного сопротивления, которое связано с конфигурацией и концентрацией носителей.

где и — подвижность электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне.

е — заряд электрона.

Значения, полученные этими авторами от > 0,4 см^-1 (p — min, =5 Ом cм) до 0,02 см^-1 (N — min, =10 Ом см).

Концентрации примесей, используемые для изменения и уменьшения вклада свободных носителей в полное поглощение, обычно значительно ниже, чем концентрации необходимые для того, чтобы вызывать заметное поглощение, обусловленное самими примесями.

В действительности высокая степень чистоты, необходимая для достижения требуемых электрических свойств и контролируемого поглощения, обусловленного свободными носителями в таких полупроводниках как германий, означает, что в объёме материала, обусловленное примесями вряд ли является существенным.

В большинстве случаев примесное поглощение обусловлено влиянием оптической обработки материала. Примеси вносятся в поверхностный слой в процессе шлифовки и полировки, что приводит к значительно большему .

измерялся с помощью адиабатической калориметрии, при использовании СО₂ — лазера.

Подготовка образцов. Образцы выравнивались посредством полировки корундовым порошком или карбидом кремния. Затем полировались на битумном притире с помощью оксида алюминия класс, А (0,3 мкм) или В (0,05 мкм).

При этом вклад поверхностного поглощения в полное поглощение > 30%.

Опыт показал, что при таком способе полировки (оксидом алюминия или коллоидным кварцем, или же алмазным аэрозолем) невозможно получить точные значения коэффициента объёмного поглощения.

Необходимо найти метод полировки, который вносит незначительный вклад в . Если полированные оксидом Аl образцы дополнительно отполированы коллоидным кварцем на фетровом притире, тогда поверхностное поглощение уменьшается до — 9%.

При измерении на ИКС возникают дополнительные ошибки из-за неколлинеарности падающего излучения, что затрудняет вычисление коэффициента отражения и, что более важно, для материалов с таким большим «n», как германий, вызывает дефокусировку изображения на входной щели монохроматора.

Полировка Ge алмазом, в виде аэрозоля (аэрозольной взвеси частиц 0,1 мкм в органическом растворителе) не позволила получить такое низкое поверхностное поглощение, как при полировке коллоидным кварцем.