Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
Изучение полупроводников ведется широким фронтом, и поток литературы, посвященной отдельным вопросам, исключительно велик. Успешному продвижению фронта исследований, особенно в новых направлениях, в значительной степени способствует своевременное обобщение накопленных резуль-татов и теоретических методов расчета. Настоящая монография призвана внести определенный вклад в решение этой задачи.
Для удобства читателя в первой главе приведена сводка общих сведений из физики твердого тела, которые. используются при изложении основного материала. Ряд параграфов написан на основании обобщения работ автора, выполненных в последние годы. Книга отражает основные достижения в области полупроводниковой квантовой электроники и лазерной спектроскопии.
Глава I
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
§ 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ПРИРОДА
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Типы полупроводников. С появлением учения об электричестве все вещества были разделены на проводники, изоляторы и полупроводники. В полупроводниках при комнатной температуре удельное сопротивление р заключено в пределах от
10~3 до 10е ом-см, тогда как в типичных проводниках р =
= 10~8 ом-см, а в изоляторах р = 1012 ом-см. В дальнейшем оказалось, что имеется большое количество веществ с удельным сопротивлением р=10~3—10s ом-см, но их нельзя отнести к полупроводникам в современном значении этого слова. Классификация веществ на проводники, изоляторы и полупроводники получила законченную и обоснованную форму только после создания квантовой механики и зонной теории твердо-
го тела.
Однако уже более ста лет назад на основании экспериментальных результатов были сформулированы критерии, позволяющие выделить полупроводники в самостоятельный класс веществ [1, 2]. К основным свойствам полупроводников относятся: а) уменьшение электросопротивления с повышением температуры; б) величина удельного сопротивления в пределах от 10~3 до !08 ом-см\ в) большие по сравнению с металлами значения термоэдс; г) выпрямление тока или неомическое поведение на контактах; д) чувствительность к свету, появление фотоэдс или изменение сопротивления при освеще-
нии.
Все полупроводники, как правило, твердые кристаллические тела. Наличие полупроводниковых свойств у некоторых жидкостей [3] и стеклообразных веществ [4] означает, что в
них имеется ближний порядок в расположении атомов, такая жидкость по квантовомеханическим свойствам приближается к поликристаллу. По типу носителей тока полупроводники делятся на ионные и электронные. В ионных полупроводниках носителями тока служат ионы решетки, а в электронных —¦ электроны и дырки. Прохождение тока через ионные полупро-
7
водники сопровождается переносом вещества и разрушением кристаллической решетки. Поэтому они не имеют серьезного практического значения и в дальнейшем не будут рассматриваться.
К полупроводникам относятся многие вещества:
1) чистые элементы: В, С, Si, Ge, a-Sn, Р, As, Sb, S, Se, Tef J; 2) соединения типа AJBVI (CuO, Cu20, CuS ...), где индексы указывают группу элемента; 3) соединения AJBVI1 (CuCl, AgBr ...); 4) соединения AnBVI (ZnS, CdS, ZnO ...), 5) соединения AinBv (GaAs, GaP, InAs, InP, InSb, A1P, AIBi ...);
6) соединения AvrBrv (SiC ...); 7) соединения (AIVBVX (PbS, PbTe ...); 8) большинство минералов; 9) многие органические соединения. Полупроводниковыми свойствами обладают также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики [5], твердые растворы полупроводников и другие более сложные соединения.
Химическая связь в кристаллах. В процессе роста кристалла происходит взаимодействие валентных электронов атомов, Приводящее в выделению тепла и образованию химических связей. Потенциальная энергия кристалла всегда меньше суммы потенциальных энергий образующих атомов, и поэтому для его разрушения необходима затрата энергии. Различают химические связи четырех видов: ионная, ковалентная (гомео-полярная), металлическая и молекулярная (Ван-дер-Ваальса) [6, 7].
При рассмотрении характера химической связи следует учитывать электроотрицательность атома и сродство к электрону. Электроотрицательность атома характеризуется энергией, которую получает атом, участвующий в каком-либо равновесном процессе, при потере одного электрона с внешней оболочки. Одним из таких равновесных процессов и является рост кристалла. Электроотрицательность атомов одно- и двухвалентных элементов практически равна половине энергии ионизации. Для атомов многовалентных элементов она несколько больше половины энергии ионизации. Последняя величина, как известно, характеризует энергию, которую необходимо затратить для принудительного отрыва электрона от невозЬужденного атома и удаления его на бесконечность, например, при бомбардировке частицами высоких энергий или световыми квантами.
Некоторые нейтральные атомы обладают способностью присоединять к себе электрон и превращаться в отрицательный ион. Эта способность, называемая сродством к электрону, характеризуется величиной энергии, которая выделяется при захвате атомом одного избыточного электрона.
Ионная, или гетерополярная, связь в кристаллах возникает при взаимодействии атомов с сильно различающимися зна-
