Эффект Штарка.

В 1913 г. И. Штарк обнаружил сдвиг и расщепление спектральных линий атома водорода в сильном электрическом поле (эффект Штарка). Это явление связано с тем, что в электрическом поле электрон приобретает дополнительную энергию, равную [50]

где дипольный момент атома. Если дипольный момент атома в отсутствии поля обозначить через то при наложении поля он выразится суммой

Второе слагаемое (12.9) равно индуцированному моменту, который определяется тензором диэлектрической поляризуемости и внешним полем.

До тех пор пока сдвиг уровней прямо пропорционален напряженности поля. При выполнении обратного неравенства линейный эффект Штарка переходит в квадратичный. В тех атомах, в которых наблюдается только квадратичный эффект Штарка.

Линейный и квадратичный эффект Штарка широко используется не только для изучения свободных атомов, но и примесных центров диэлектрических кристаллов.

В рамках теории эффективной массы Ваннье показал [371], что если поместить полупроводник в электрическое поле, то энергетический спектр электрона будет состоять из набора эквидистантных уровней (уровни Ваннье), расстояние между которыми равно

где постоянная кристаллической решетки в направлении поля. Уровни Ваннье образуются вследствие того, что квазиимпульс электрона линейно возрастает со временем:

Рис. 54. Спектры пропускания тонких (10-200 мкм) образвдв CdS в электрическом поле в/см при температуре жидкого гелия: А [376]

Рис. 55. Смещение и расширение экситонной линии поглощения в монокристаллах CdS при

Перемещаясь в пределах зоны Бриллюэна, электрон испытывает брэгговские отражения на ее границах.

Поэтому его скорость и энергия осциллируют с периодом

что и приводит к образованию эквидистантного энергетического спектра. Расчеты спектра поглощения для этого случая показали [372, 373], что в зависимости коэффициента поглощения от частоты появляется осциллирующая составляющая, соответствующая оптическим переходам на эквидистантные уровни.

Вначале ожидаемые осцилляции были обнаружены в туннельном токе диодов из антимонида индия при температуре жидкого гелия [374]. Прямые измерения осцилляций оптического пропускания выполнены на пленках помещенных в сильные электрические поля [375, 376]. На рис. 54 приведены графики зависимости пропускания пленки от энергии квантов света при двух ориентациях образца относительно направления электрического поля [376]. В соответствии с формулой (12.10) более частые осцилляции наблюдаются, если электрическое поле направлено перпендикулярно оптической оси кристалла. Для этого направления постоянная решетки меньше, чем в направлении оптической оси.

Хотя имеются и другие опыты [377], которые можно объяснить с помощью уровней Ваннье, эта интерпретация иногда вызывает возражения [376, 378] на том основании, что среднее время между столкновениями электронов слишком мало для того, чтобы электрон прошел всю зону Бриллюэна и отразился от ее границ. Отражение на границах зоны служит необходимым условием образования эквидистантного энергетического спектра. С более общих позиций электронные состояния полупроводников в сильных электрических полях рассмотрены в работах [378, 379].

Электрическое поле вызывает также расщепление и смещение экситонных уровней (рис. 55). Величина смещения основного состояния электронов большого радиуса рассчитана в работах [380—384]. Как и следует из теории, смещение экситонной линии поглощения

пропорционально квадрату напряженности электрического поля. Эффект Штарка для экситонных состояний в сернистом кадмии наблюдался также в работе [386].