Явление уменьшения интенсивности света, проходящего через среду вследствие взаимодействия его с частицами среды, называют п о г л о щ е н и е м с в е т а. В результате поглощения световая энергия переходит в другие виды энергии или в оптическое излучение другого спектрального состава. Основным законом поглощения света, связывающим интенсивность I световой волны, прошедшей слой среды толщиной l, с интенсивностью I0 падающей волны является закон Бугера-Ламберта:
При поглощении света твердыми телами энергия фотонов превращается в другие виды энергии. Поэтому могут изменяться энергетическое состояние свободных или связанных с атомами электронов, а также колебательная энергия атомов.
Собственное поглощение в полупроводниковых кристаллах связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. В результате в зоне проводимости появляется свободный электрон, а в валентной зоне – дырка. Для фотонов с энергией, меньшей широты запрещенной зоны (hν < Eg), кристалл прозрачен, т.е. фотоны не поглощаются. В области малых длин волн, т.е. при больших значениях hν, наблюдается сплошной спектр интенсивного поглощения, ограниченный краем поглощения при hν~ Eg. У большинства полупроводников этот край находится в инфракрасной области спектра.
Если к кристаллу, облученному светом, приложить электрическое поле, то образовавшиеся в результате поглощения света свободные носители заряда приходят в движение, т.е. возникает проводимость.
Экситонное поглощение – механизм поглощения света, при котором электрон валентной зоны переводится в возбужденное состояние, но остается связанным с образовавшейся дыркой. Образуется экситон, перемещение которого не вызывает фотопроводимость кристалла, так как электрон и дырка движутся вместе. Экситоны могут возникать в диэлектриках, так как в них кулоновское притяжение электрона и дырки значительно. В полупроводниках это притяжение мало и поэтому энергия связи экситона также мала.
Поглощение света свободными носителями заряда связано с переходом электронов (или дырок) с одного энергетического уровня на другой в пределах одной и той же разрешенной зоны. Такое поглощение характерно для полупроводников при достаточно больших концентрациях носителей зарядов. Оно плавно возрастает с ростом длины волны света, а коэффициент поглощения для каждой длины волны пропорционален концентрации основных носителей заряда в веществе.
Примесное поглощение наблюдается в полупроводниках, содержащих примесные атомы. Поглощение света обусловлено возбуждением примесных центров или их ионизацией. Например, в полупроводнике n-типа электроны с донорных уровней могут быть возбуждены в зону проводимости. Полосы примесного поглощения лежат за краем собственного поглощения полупроводника, поскольку энергия ионизации примесных уровней меньше, чем энергия, требуемая для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости.
Увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения называют фотопроводимостью полупроводников
Фотопроводимость полупроводников может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, энергия которых равна или больше ширины запрещенной зоны полупроводника (hν ≥ ΔEg), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.13, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками.
Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hν < ΔE: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hν ≥ ΔED, а для полупроводников с акцепторной примесью hν ≥ ΔEA. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис. 13, б). В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа.
Из условия hν = hc/λ можно определить красную границу фотопроводимости − максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:
- для собственных полупроводников λ0 = hc/ΔЕg
- для примесных полупроводников λ0 = hc/ΔEп,
где Δ Eп − в общем случае энергия активации примесных атомов).
Учитывая значения Δ Eg и ΔEп для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для собственных полупроводников приходится на видимую область спектра, для примесных же полупроводников - на инфракрасную.
Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок может и не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмов может быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собой квазичастицы − электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.