Глава II. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ

Вводные замечания.

Если на полупроводниковую пластину направить пучок света, то некоторая его часть (~30%) отразится от передней грани, какая-то доля света пройдет всю пластину и выйдет из ее задней грани, а остальной свет либо рассеется, либо поглотится в материале. Энергия поглощенного света трансформируется в полупроводнике в другие виды энергии: тепло, люминесценцию, электрический ток и т. д. Характер взаимодействия света с полупроводниками определяется как свойствами света — его спектральным составом, поляризацией, интенсивностью, степенью когерентности и направлением распространения, — так и свойствами полупроводника и в первую очередь его зонной структурой. Значительное, иногда решающее, влияние на процессы поглощения и испускания света в полупроводниках оказывают внешние условия: температура, механическое давление, электрическое и магнитное поля.

Если энергия квантов возбуждающего света больше ширины запрещенной зоны то возникнут межзонные оптические переходы. Электроны из валентной зоны будут забрасываться в зону проводимости. Одновременно начнется и обратный процесс неоптической или оптической рекомбинации электронов и дырок.

Кванты света со значением близким, но меньшим могут создавать экситоны, вызывать переходы зоны — примесь, межпримесные и внутрипримесные переходы.

Для света с значительно меньшим все чистые полупроводники практически прозрачны. Например, монокристаллические пластинки теллурида цинка и карбида кремния по внешнему виду напоминают светло-красный и желтый стеклянные фильтры. Арсенид галлия, кремний, германий прозрачны только в инфракрасной области и их отполированные пластинки больше похожи на металл, чем на стекло.

Однако нет такой длины волны, которую бы полупроводник в принципе не мог поглощать. Свет с вызывает внутризонные переходы электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Коэффициент поглощения свободными носителями быстро возрастает с увеличением В далекой

инфракрасной области на фоне поглощения свободными носителями имеются полосы поглощения кристаллической решетки и поглощения, связанного с ионизацией примесей.

Но даже в той области спектра, где в рамках линейной оптики полупроводник можно считать практически прозрачным, возникает многофотонное поглощение при больших интенсивностях возбуждения. Каждому процессу поглощения света соответствуют обратные процессы, возвращающие вещество в состояние термодинамического равновесия и часто сопровождающиеся испусканием новых квантов света.

Изложение всех современных сведений даже по какому-либо одному механизму взаимодействия света с полупроводниками представляет весьма сложную задачу, поскольку любой механизм в каждом конкретном кристалле проявляется со многими специфическими деталями и особенностями. Поэтому в настоящей главе дается классификация основных механизмов поглощения и испускания света в полупроводниках и выясняются общие закономерности в рамках квантовой механики и линейной оптики. Экспериментальные результаты приводятся только в качестве иллюстрации для выводов теории и в тех случаях, когда теория отсутствует, а на опыте установлены достаточно общие закономерности. Многочисленные экспериментальные результаты читатель может встретить в обзорных и оригинальных работах, ссылки на которые приведены в тексте. Нелинейные оптические явления рассматриваются в следующей главе.

Хотя кристаллофосфоры относятся к широкозонным полупроводникам, по традиции их изучение ведется несколько обособленно от типичных полупроводников Поэтому свечение кристаллофосфоров в книге не рассматривается.