Оптические свойства полупроводников - Уиллардон Р.
Скачать (прямая ссылка):
Duncan W., Schneider Е. E., Phy4. Lett., 7, 23 (1963). t>9. J о h ті s о а К. J., F і І і n s k і [.,Fan Ц. Y., в книге Proc. lotern. Co«I. Pbys. Semicond. (Exeter, 1962), London, 1962, p. 375. 1
6
ПОГЛОЩЕНИЕ ВБЛИЗИ КРАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ
Е. Джонсон *) § 1. ВВЕДЕНИЕ
Край фундаментального поглощения в полупроводниках и диэлектриках соответствует порогу электронных переходов из наивысшей почти заполненной зоны в наинизшую почти пустую. Поглощение очень невелико, когда энергия фотона намного меньше ширины запрещенной зоны, а при увеличении энергии фотона возрастает в IO4 раз и более. Изучая фундаментальное поглощение, можно получить сведения об электронных состояниях вблизи экстремумов зон. Так, измерив энергию фотона, при которой образец толщиной ~0,3 мм перестает быть непрозрачным, т. е. пропускание его становится больше 1%, во многих случаях можно оценить ширину запрещенной зоны для данного образца с точностью около 20%. Исследуя же с обычным разрешением спектральную зависимость коэффициента поглощения, можно разделить прямые и непрямые переходы и определить ширину запрещенной зони с точностью около 5%. Зависимость ширины запрещенной зоны от всестороннего сжатия, получающаяся при исследовании влияния гидростатического давления на край поглощения, помогает определить положение экстремумов зон. По сдвигу края поглощения при заселении состояний зоны проводимости (например, в вырожденных образцах) можно вычислить эффективную массу, определяющуюся плотностью состояний.
Различные взаимодействия приводят к отклонениям края поглощения от той величины, которая характеризует однозлек-тронныо энергетические уровни. Весьма полезную в этом отношении информацию можно получить, изучая переходы, сопровождающиеся взаимодействиями электрон — дырка; электрон — фонон, электрон — примесь- Такие взаимодействия обычно приводят к сдвигу края поглощения в сторону меньших энергий фотона. При низких температурах и большом разрешении можно наблюдать структуру, связанную с упомянутыми эффектами. Если выявить и учесть такие взаимодействия, то ложно с бо.ть-
*) Е. J. Johnson, Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts. l'.i- 6'. Поглощение вблизи края фундаментальной полосы 17!>
шей точностью определить ширину запрещенной зоны. Малые возмущения, вызываемые внешним магнитным или электрическим полем, дают дополнительную структуру, анализ которой позволяет получить детальные сведения об энергетических зонах. Весьма плодотворным оказалось изучение влияния магнитного ноля; это MV вопросу посвящена статья Л экса и Мавродейса 113, стр. 321].
Самый прямой способ определения края фундамента л ьного поглощения — измерять спектральную прозрачность образца, и это наиболее распространенный метод. Другие же, менее прямые методы могут дать дополнительную информацию. Так, интерпретация сигнала фотопроводимости зависит от соотношения между толщиной образца и глубиной проникновения света. В случае предельно тонких образцов сигнал фотопроводимости пропорционален поглощению, связанному с генерацией свободных носителей. В этом случае часто оказывается возможным определить, какие электроны генерирует свет — свободные или связанные. Но при интерпретации не исключены сложности, вызванные тем, что свободные носители могут возникать нри распаде возбужденного связанного состояния. В толстых образцах все излучение поглощается и сигнал фотопроводимости не зависит от величины коэффициента поглощения, будучи пропорциональным произведению подвижности свободных носителей на их время жизни. В этом случае различные механизмы поглощения можно связать со структурой спектральной зависимости сигнала фотопроводимости. В спектрах поглощения подобной структуры не возникает.
Спитцср и Мид 11, 2] предложили напылять металлическую пленку на поверхность полупроводника и наблюдать фотоволь-таический эффект. Фото-э. д. с. пропорциональна оптическому поглощению, если область, обедненная носителями, и диффузионная длина неосновных носителей в получающемся переходе гораздо меньше глубины проникновения света. При этом устраняются трудности, связанные с приготовлением очень тонких образцов, необходимых в экспериментах по поглощению.
При фотолюминесценции небольшое число носителей возбуждается в состояния зони проводимости, не заполненные электронами. Возникающие при этом резкие максимумы испускания связаны с переходами из небольшого числа состояний вблизи дна зоны проводимости. В спектре фотолюминесценции можно наблюдать структуру, которая пе выявляется в спектре поглощения, ибо последний гораздо шире, так как при поглощении происходят переходы в любые состояния зоны проводимости. По спектрам фотолюминесценции можно также изучать переходы в валентную зону из состояний зоны проводимости, в нормальных условиях заполненных электронами. 166
Е. Джонсон
Еще один способ изучения края фундаментального поглощения — исследовать спектры отражения, как это делали Райт и Лэкс в случае антимонида индия (3]. При таком эксперименте требуется особо тщательная обработка поверхности образца. Но отражение, связанное с краем фундаментального поглощения, обычно оказывается малой добавкой на большом фоне полного отражения, и такой метод пригоден лишь при изучении резонап-сов, например, при исследовании экситонных линий или структуры магнетопоглощения. Кроме того, метод отражения пригоден и тогда, когда изучение прохождения невозможно из-за очень большого фона поглощения. Максимумы в спектре поглощения можно прямо связать с интервалами в энергетическом спектре, но для спектров отражения аналогичной связи, вообще говоря, не существует. Чтобы правильно определить энергетические интервалы, здесь приходится специально исследовать форму линии в каждом отдельном случае.
