Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
примесных) атомах решетки. При этом ионизация атома основной
решетки означает переброс электрона из заполненной зоны в
свободную и образование свободных электрона и дырки; этот
процесс уже подробно рассматривался выше. Но наряду с этим
возможно и другое возбужденное состояние основного атома, при
котором электрон не отрывается от него, а лишь переходит на один
из незаполненных уровней. Такое состояние получило название
экси- тонного (от английского слова exitation - возбуждение).
Отличие экситонного состояния от возбужденного состояния
примесного атома заключается в том, что энергия кристалла не
зависит (в силу трансляционной симметрии, т. е. эквивалентности
одинаковых точек разных ячеек) от того, какой из атомов
возбужден, поэтому возбужденное состояние может
"путешествовать" по всему кристаллу *>.
В результате этого образуются зоны экситонных состояний.
Существенно, что движение экситонов не создает электрического
тока, так как перемещается не электрон, а лишь возбужденное
состояние атома. Экситон можно представить также как совместное
движение электрона и дырки, связанных кулоновскими силами и
вращающихся вокруг общего центра тяжести; кроме этого, такая
пара может поступательно перемещаться по всему кристаллу.
Из закона сохранения импульса следует, что под действием
света могут образовываться только неподвижные экситоны,
поэтому экситонным возбуждениям соответствуют тонкие линии
вблизи края полосы поглощения, с ростом температуры эти линии
размываются тепловым движением. На образование экситона -
возбуждение атома - требуется меньшая энергия, чем на его
ионизацию, поэтому экситонные линии лежат в спектре поглощения
справа от основной полосы, т. е. в области меньших частот и
энергий.
Роль экситона в фотоэффекте, точно так же, как возбужденного
состояния примесного атома, может быть различна. За время своей
жизни он может быть разорван тепловым движением или еще одним
квантом и таким образом дать
*) Грубо схематически этот процесс перемещения экситона можно
представить следующим образом: экситон на данном атоме "захлопывается",
т. е. электрон переходит в нормальное состояние, выделившаяся при этом
энергия передается соседнему атому, на котором образуется экситон, и т. д.
ИЗ
два носителя - электрон и дырку. Экситон может при своем
движении наткнуться на примесный атом и, "захлопнувшись", при
этом ионизовать его, таким образом появится один свободный
электрон.
Энергия рекомбинации экситона может быть также затрачена
на заброс электрона из валентной зоны на акцепторный уровень,
при этом образуется одна дырка. Энергия рекомбинации также
может быть передана и тепловым колебаниям решетки или
свободным электронам, при этом она будет растрачена с точки
зрения фотоэффекта зря, т. е. приведет к уменьшению квантового
выхода.
Поглощение света свободными электронами. Как уже
упоминалось, в сильно легированных полупроводниках возникает
дополнительное поглощение, обусловленное свободными
электронами. При этом следует учитывать, что совершенно
свободные электроны не могут поглотить энергию; под действием
электромагнитного поля они совершают синхронные с полем
колебания и лишь вносят в силу этого соответствующий вклад в
коэффициент преломления. Однако, как мы знаем, электрон,
движущийся или колеблющийся под действием электрического
поля, в твердом теле непрерывно испытывает столкновения. Если
частота этих столкновений будет больше частоты
электромагнитных колебаний, то значительная часть энергии будет
переходить в тепло. Этим и объясняется поглощение света
свободными носителями и рост его в сторону низких частот.
Поглощение света свободными электронами не является фотоактив-
ным процессом и приводит поэтому к уменьшению квантового
выхода.
Поглощение света оптическими колебаниями решетки.
В сложных кристаллах, т. е. в тех, в которых в одной элементарной
ячейке содержится несколько атомов, наряду с акустическими
колебаниями решетки имеются и оптические. При оптических
колебаниях соседние атомы колеблются со значительным сдвигом
по фазе по отношению друг к другу, это приводит к возникновению
переменного диполь- ного момента, а следовательно, к испусканию
света.
Если свет той же частоты падает на кристалл, то он возбуждает
эти колебания и поглощается. Таким образом, в инфракрасной
области спектра появляется ряд полос поглощения, по своему виду
аналогичных примесному поглощению. Поглощение света
оптическими колебаниями также приводит к уменьшению
квантового выхода фотоэффекта.
112
2
СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
2.1. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КВАНТОВОЙ
ТЕОРИИ
Ряд вопросов физики полупроводников можно изложить
качественно, основываясь на представлениях классической теории,
приписав электрону только корпускулярные свойства, а свету -
только волновые. Однако существует большой круг явлений,
неразрывно связанных с двойственной природой материи, говорить
