Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
краю поглощения в нижней эк-ситонной полосе. Пока неизвестно, является ли
это поглощение просто систематической погрешностью опыта, связанной с
неполным исключением поглощения излучения свободными носителями заряда и
другими механизмами, или же оно вызвано переходами более высокого
порядка, сопровождающимися испусканием нескольких фононов.
В Si обнаружено [371 четыре экситонных "подъема" на кривой поглощения, в
которых зависимость а1''. от частоты подчиняется формуле (10.100) (см.
рис. 10.13). В Ge значение kmin соответствует краю зоны в направлении
<111>, тогда как для Si установлено, что минимумы энергии расположены на
осях <100> на некотором расстоянии от края зоны (см. разд. 13.3). В этом
случае условия симметрии оказываются иными и непрямые переходы с участием
как продольных, так и поперечных колебаний решетки оказываются
разрешенными. К тому же правило отбора, которое в Ge исключало участие
оптических фононов в процессе поглощения, перестает действовать в Si,
поэтому здесь наблюдаются также и переходы, связанные с поглощением и
испусканием оптических фононов. Новым доказательством того, что крутые
подъемы на кривой поглощения связаны именно с экситонами, может служить и
то обстоятельство, что при низких температурах они не сопровождаются
параллельным ростом фотопроводимости, тогда как при комнатных темпе-
368
10. Оптические и высокочастотные явления
hP, эВ
Рис. 10.15. Спектр поглощения в GaP, на котором видны экситонные полосы,
возникающие в результате различных комбинаций фононов [68].
Полосы А к В связаны с испусканием LA- и соответственно ТО- и LO-фононов.
ратурах ход фотопроводимости во всех деталях повторяет ход кривой
поглощения.
Оценки энергии связи "непрямых" экситонов как для Si, так и для Ge дали
величину порядка 5 мэВ. Новые исследования, в которых использовалась
дифференциальная техника измерения поглощения, показали существование не
только поглощения, соответствующего экситону с п= 1, но также и
поглощения, обусловленного экситоном с л=2, а также позволили получить
намного более точные значения для энергии связи экситона. Для Ge Гросс и
др. [66] нашли значение энергии связи экситона, равное 3,6 мэВ, в то
время как для Si Шекли и Нейбур [67] получили величину 14,7 мэВ. Эти
значения находятся в очень хорошем согласии с теоретическими вычислениями
для Ge и Si, которые выполнили Мак-Лин и Лоудон [651.
Экситоны, связанные с непрямыми переходами, наблюдались также в ряде
полупроводниковых соединений. Так, например, GaP, край собственного
поглощения которого обусловлен непрямыми переходами, имеет спектр
экситонного поглощения, состоящий из полос, а не из линий, чем
существенно отличается от спектра эк-
10. Оптические и высокочастотные явления
369
ситонного поглощения, наблюдаемого в GaAs. Спектр поглощения, который
наблюдали Гершензон н др. [68], показан на рис. 10.15. Узкие линии в
спектре поглощения GaP, легированного S, обусловлены экситонамн,
связанными с донорами S. Такие линии наблюдал также Дин 169] для донорных
примесей S, Se и Те. Позже мы обсудим излучение таких связанных экситоиов
и экситонных молекул (см. разд. 10.14.1 и 10.14.2).
Филлипс [70], который провел очень полный анализ экситонных спектров,
наблюдаемых в большом количестве материалов, предположил, что экситоны
могут образовываться и в некоторых других критических точках зонной
структуры, где yk(Ec-EJ=0. Это является в то же время условием равенства
скоростей электронов и дырок, что кажется разумным.
Можно ожидать, что должно иметь место поглощение, обусловленное
возбуждением экситоиов из их основного состояния в более высокие
возбужденные состояния. Это поглощение должно происходить в очень далекой
ИК-области. Используя высокие интенсивности, которые могут дать лазеры,
можно возбудить достаточно большое количество экситоиов, чтобы такое
поглощение можно было наблюдать непосредственно. Поглощение этого вида
наблюдали в чистом Ge Кононенко и др. [71]. Позже, используя
интерферо.четри-ческие методы, Баканан и Тимаск [72] обнаружили большое
разнообразие линий поглощения в области энергий фотонов 1ч-7 мэВ. Они
приписали эти линии экситонам, образованным не только легкими дырками в
Ge, но также и тяжелыми дырками (см. разд. 2.3).
10.7. Примесное поглощение
Разнообразные электронные переходы в примесных атомах, индуцируемые
падающим излучением подходящей частоты, приводят к образованию спектра
примесного поглощения. Пусть Е,- глубина примесного уровня под дном зоны
проводимости, тогда при h\'>Ei получается непрерывная полоса примесного
поглощения, обусловленная переходами электронов с примесных уровней в
зону проводимости. Если энергия ?, мала, то такое поглощение наблюдается
лишь при очень низких температурах, когда основная часть атомов примеси
оказывается неионизованной. Аналогичным образом падающее излучение может
перевести электрон из валентной зоны на акцепторный уровень,
расположенный вблизи этой зоны и принадлежащий непонизованному атому
