Поглощение света при переходах между подзонами одной вырожденной зоны.

Во многих полупроводниках на фоне монотонно возрастающей с ростом кривой поглощения свободными носителями наблюдаются одна, две или три широкие полосы более интенсивного поглощения. Такие полосы обнаружены в германии [288—290], арсениде галлия [291, 292], антимониде галлия алюминия [294], индия [295], фосфиде галлия [296] и других полупроводниках. Как правило, их интенсивность примерно пропорциональна концентрации свободных носителей. Полосы, наблюдаемые в образцах -типа, исчезают при переходе к полупроводникам -типа и наоборот. Положение максимумов полос поглощения и их

Рис. 39. Спектры поглощения образцов при Номера образцов и легирующий элемент:

контуры заметно изменяются с понижением температуры. Одни полосы становятся более узкими и резкими, другие вовсе исчезают. Спектр инфракрасного поглощения антимонида алюминия -типа приведен на рис. 39 [294]. При комнатной температуре в области четко выступает полоса поглощения, которая сохраняется и при температуре жидкого азота в образцах, легированных теллуром. Если кристалл легирован селеном, то эта полоса заметна только при комнатной температуре. Отдельные пички на кривых при 11,2; 13,5; 22,9; 27,8; 29,8 мкм связаны с поглощением кристаллической решеткой.

Полосы спектрального поглощения, обладающие указанными свойствами и расположенные в длинноволновой части спектра относительного края собственного поглощения полупроводника (§ 6), возникают в результате оптических переходов электронов или дырок между различными подзонами одной и той же зоны проводимости или валентной зоны. Расщепление зон происходит в результате спин-орбитального взаимодействия.

На рис. 40 приведена зонная структура антимонида алюминия [292, 294] вблизи точки Как и в других кристаллах типа цинковой обманки, валентная зона состоит из трех подзон: подзоны тяжелых дырок легких дырок и отщепленной от них в результате спин-орбитального взаимодействия нижней подзоны Подзона тяжелых дырок в некоторых кристаллах вырождена. Зона проводимости также может состоять из двух и более подзон.

При такой зонной структуре одному и тому же значению волнового вектора электрона в пределах одной зоны будет

Рис. 40. Зоииая структура вблизи точки

соответствовать несколько значений энергии. Поэтому электроны могут совершать прямые и непрямые переходы в зоне проводимости и в валентной зоне. Температурная зависимость возникающих полос поглощения объясняется изменением распределения носителей заряда по уровням энергии зон и зависимостью расстояния между ветвями подзон от волнового вектора [276, 296— 298].

В принципе возможны излучательные переходы электронов в пределах зоны проводимости и дырок в валентной зоне. Однако такое излучение будет чрезвычайно слабым и его следует искать методами лазерной спектроскопии.

Зависимость коэффициента поглощения от энергии квантов возбуждающего света для прямых переходов в зоне проводимости фосфида галлия при отсутствии вырождения электронов имеет вид [299]

Здесь сила осциллятора для переходов с первой в третью подзону, энергетический зазор между которыми равен эффективная масса электрона в подзоне, Сравнение графика (10.13) с экспериментальной кривой поглощения показывает их удовлетворительное соответствие. Если же предположить, что между ветвями зоны происходят непрямые переходы, то для данного конкретного случая рассчитанная полоса поглощения сильно отличается от результатов эксперимента.

Коэффициент поглощения при переходах между двумя ветвями валентной зоны в кристаллах типа германия в условиях фермиевского распределения носителей рассчитан в работе [300].

Изучение селективного поглощения свободными носителями служит важным источником информации о строении зон в кристаллах.