Взаимодействие электромагнитного излучения с твердым телом
Спектр электромагнитных излучений достаточно широк и охватывает длины волн с размерами от долей ангстрем до километров. Для физики твердого тела и ее приложений наиболее важными являются диапазоны спектра от инфракрасного до рентгеновского. Видимый диапазон спектра достаточно узкий по длинам волн (от 0,4 мкм до 0,7 мкм). Тем не менее, этот диапазон представляет особую значимость для приложений физики твердого тела.
На рис. 6.1 представлен спектр электромагнитного излучения, включая диапазон видимого спектра с указанием наименований областей спектра, характерных энергий, длин волн и частот электромагнитного излучения.
Рисунок 6.1. Спектр электромагнитного излучения, включая диапазон видимого спектра
Физической основой излучения и поглощения света (электромагнитного излучения в видимом и близком к нему ультрафиолетовом и инфракрасном спектре) в твердых телах является рекомбинация и генерация неравновесных носителей (см. §6.3), поскольку переходы электронов между состояниями происходят либо с испусканием, либо с поглощением квантов света. Для видимого и инфракрасного спектров излучения важны электронные переходы между валентной зоной и зоной проводимости. Электронные переходы между состояниями зоны проводимости и более глубоких энергетических зон в твердых телах сопровождаются поглощением или испусканием квантов в рентгеновском диапазоне спектра.
Процессы, приводящие к рекомбинационному излучению в полупроводниках, как правило, представляют собой совокупность нескольких явлений. Возникновение неравновесных носителей под воздействием возбуждения может сопровождаться диффузией носителей заряда, дрейфом их в электрическом поле, захватом на ловушки и т. д.
Явление рекомбинационного излучения в полупроводниках получило название люминесценции (см. §6.7). Люминесценция в полупроводниках может быть обусловлена различными по своей природе электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости.
В зависимости от начального и конечного состояния различают семь типов переходов:
A – межзонные переходы, т.е. переходы электронов между состояниями, расположенными в зоне проводимости и запрещенной зоне;
B – внутризонные переходы, т. е. переходы электронов между состояниями, расположенными только в зоне проводимости или только в запрещенной зоне;
C – переходы между примесными состояниями, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне;
D – переходы между примесными состояниями и состояниями для электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне;
E – переходы с участием экситонов, т. е. переходы электронов между экситонным состоянием и состояниями, расположенными в валентной зоне, или для связанных экситонов с состояниями, расположенными в запрещенной зоне;
I – внутрицентровые излучательные переходы, т.е. электронные переходы между двумя энергетическими уровнями, принадлежащими одному центру (рис. 6.2).
Для оптоэлектронных устройств наиболее важными являются оптические переходы типа A, типа E и типа D.
Межзонные переходы типа A обуславливают наиболее сильное поглощение или испускание света, с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны: hv > Eg. Эти оптические переходы также называют фундаментальными.
Рисунок 6.2. Схематическое изображение процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при различных механизмах рекомбинации