Поглощение света полупроводниками
Законы поглощения.
При облучении кристалла полупроводника потоком световой энергии часть этой энергии поглощается телом, а часть отражается. Отражение потока световой энергии поверхностью полупроводника характеризуется коэффициентом отражения:
где Ф и Фотр — падающий и отраженный потоки световой энергии соответственно.
Поглощение света телом полупроводника сопровождается уменьшением потока световой энергии в соответствии с известным из физики законом
где 
— коэффициент поглощения, характеризующий величину поглощенной энергии на единицу длины и имеющий размерность см-
Поглощение света полупроводниками может в зависимости от природы твердого тела сопровождаться изменением энергетических состояний свободных или валентных электронов, электронов атомов примесей или же самой кристаллической решетки. Иначе говоря, центры поглощения в твердо” теле по своей природе весьма разнообразны. В зависимости от преобладания тех или иных центров поглощения различные вещества по-разному поглощают электромагнитные колебания разных длин волн. Зависимость 
При поглощении кристаллом квантов света (фотонов) должны соблюдаться законы сохранения энергиии сохранения импульса. Если фотон характеризуется энергией
hv и импульсом
, а электрон до поглощения —: энергией 
и импульсом 
, то в результате поглощения энергия и импульс электрона должны измениться:
(14 –3 , 14 – 4)
Выполнение этих условий сопровождается различными физическими явлениями, природа которых во многом зависит от характера энергетической зонной структуры полупроводника. Рассмотрим основные случаи поглощения света полупроводниками.
Собственное поглощение.
Один из основных видов оптического поглощения — собственное или фундаментальное поглощение — связан с переходом электрона из валентной зоны в. зону проводимости. Такой переход возможен в том случае, если энергия •поглощаемого фотона превышает или по крайней мере равна ширине запрещенной зоны:
Как было показано строение энергетических- зон полупроводников может быть различным. У ряда полупроводников энергетический минимум зоны проводимости и энергетический максимум валентной зоны соответствуют одному и тому же значению квазиимпульса р или волнового вектора k = 
. К числу таких полупроводников относится, например, антимонид индия InSb (см. рис. 9-9, б). У большинства же полупроводников, в том числе у германия и кремния эти энергетические экстремумы соответствуют разным значениям k (см.| рис. 9-9, в).
В полупроводниках первого вида межзонный переход электрона в результате собственного поглощения сопровождается лишь измерением его энергии. Импульс электрона остается практически неизменным. Такие переходы называют
прямыми или вертикалными. При прямом переходе вследствие поглощения фотона изменением импульса электрона за счет импульса фотона
можно пренебречь, так как длина волны фотона 
10 , а длина волны волновой функции электрона при Т = 300 К 
Следовательно, импульс электрода 
и условие (14-4) можно переписать в виде
В полупроводниках второго вида переход электрона из валентной зоны в зону проводимости должен сопровождаться не только изменением его энергии, но и изменением импульса. Вследствие этого непрямые переходы при поглощении фотона обязательно сопровождаются, кроме того, поглощением фонона, энергия которого обычно невелика (составляет десятые доли электронвольта), а импульс рфн может достигать значительной
величины, так что условие (14-4) можно записать в виде
. Таким образом, непрямые переходы связаны с изменением энергии кристаллической решетки. Вполне понятно, что на. энергетический обмен с кристаллической решеткой должны налагаться дополнительные условия, которые не всегда могут быть выполнены. Вследствие этого коэффициент поглощения 
для непрямых переходов , как правило, ниже этого значения для прямых переходов (
В результате собственного поглощения в полупроводнике образуются пары подвижных электрических зарядов: дырка в валентной зоне и электрон в зоне проводимости. Вероятность межзонного перехода, т. е. образования такой пары зарядов, зависит от степени заполнения состояний вблизи потолка валентной зоны, а также от плотности свободных состояний вблизи дна зоны проводимости.
Спектр собственного поглощения достаточно широк, так как при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни, лежащие дальше от дна зоны проводимости. Эти свободные электроны, обладающие более высокой энергией — “горячие” электроны — в процессе движения за некоторое среднее время 
рассеивают избыток энергии на кристаллической решетке и опускаются на более низкие свободные энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости. Причем время , как правило, значительно меньше среднего времени жизни свободной частицы, разделяющего моменты генерации и рекомбинации частиц.
Длинноволновая граница спектра собственного поглощения определяется величиной 
Экситонное поглощение.
При поглощении фотона возможно и такое возбуждение валентного электрона, при котором он не совершает межзонный переход, а образует с дыркой связанную электронно-дырочную пару, которая получила наименование экситона. В экситоне электрон и дырка связаны кулоновским взаимодействием с учетом диэлектрической постоянной
относительной диэлектрической проницаемости кристалла 
. Экситон принято рассматривать как некоторую частицу с собственной эффективной массой М* =
.
Экситон характеризуется набором собственных значений энергии, образующих водородоподобный энергетический спектр, лежащий в пределах запрещенной зоны полупроводника. Спектр экситонного поглощения полупроводника содержит, таким образом, ряд экстремумов, отвечающих образованию экситона с энергией, соответствующей одному из возможных состояний.
Примесное поглощение.
Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения. охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.В результате примесного поглощения, как и в случае термической ионизации атомов примесей, генерируются подвижные носители лишь одного знака: электроны в зоне проводимости при ионизации донорных атомов и дырки в валентной зоне при ионизации акцепторных атомов. Сами атомы примесей в процессе фотоионизации превращаются в ионы с единичным электрическим зарядом.
Понятно, что коэффициент поглощения 
в случае примесного поглощения существенно зависит от температуры. При комнатных температурах мелко залегающие уровни примеси почти все термически ионизированы, поэтому вероятность примесного поглощения фотонов невелика; при более низких температурах интенсивность примесного поглощения увеличивается.
Другие виды поглощения.
Помимо собственного и примесного в полупроводниках наблюдается также поглощение фотонов свободными носителями зарядов самой кристаллической решеткой. В первом случае свободные носители зарядов — электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, поглощая фотоны, переходят на более высокие свободные энергетические уровни. Эти переходы непрямые и сопровождаются вследствие этого поглощением фонона. Коэффициент поглощения света свободными частицами пропорционален их концентрации, квадрату длины волны падающего излучения и обратно пропорционален подвижности 
в этом случае составляет около 100—500 см~1.
В полупроводниках со сложной зонной структурой, например в кремнии (см. рис. 9-1, в), в результате поглощения квантов света возможен переход свободных частиц из одной долины в другую, что, как известно, может привести к изменению их эффективной массы.
Поглощение света кристаллической решеткой обусловлено взаимодействием электромагнитного поля световой волны с колебаниями узлов решетки. Энергия фотонов при таком взаимодействии переходит в энергию фононов. Поскольку такое взаимодействие носит резонансный характер, спектр поглощения света решеткой представляет собой ряд пиков поглощения, соответствующих различным длинам волн падающего света.
Таким образом, поглощение света полупроводниками связано с различными физическими явлениями в кристалле. В результате поглощения могут образоваться дополнительные свободные носители зарядов и, следовательно, изменится электрическое сопротивление кристалла (фоторезистивный эффект).
При облучении полупроводникового кристалла, содержащего электрический переход, может возникнуть электродвижущая сила между двумя разнородными областями полупроводника или между полупроводником и металлом
( фотогальванический эффект). Эти и другие физические эффекты лежат в основе работы различных фотоэлектрических полупроводниковых приборов.
