Материал: Конспект

МЕХАНІЗМИ ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА

• При попаданні світла на напівпровідник скінченної товщини можливі наступні процеси: відбиття від границі розділу матеріалів, поглинання у напівпровіднику, проходження через матеріал. Коли пучок монохроматичного випромінювання проходить через речовину, то внаслідок відбиття від поверхні і поглинання в об'ємі його інтенсивність I1=IT зменшується. Якщо інтенсивність світла що падає I0, а відбитого IR то відношення R = IR/I0 називається коефіцієнтом відбиття. Відповідно відношення інтенсивності світла що пройшло IT до вхідної T = IT/I0 називається коефіцієнтом проходження світла. Залежність коефіцієнта відбиття (пропускання) від енергії світла що падає R(hv) (Т(hv)) або довжини хвилі R( ) (Т( )) називається спектром відбиття

(пропускання).

Існують такі основні механізми поглинання світла

напівпровідником:

1.Власне поглинання. Енергія квантів світла - фотонів, що поглинаються напівпровідником, передається електронам валентної зони з перекидом цих електронів в зону провідності. Можливе якщо E = hv>Eg.

2.Домішкові поглинання. Енергія фотонів йде на іонізацію або збудження домішкових атомів. Можливе якщо E = hv>Ea(d)

3.Поглинання носіями заряду. Енергія квантів світла

поглинається вільними електронами. При цьому енергія квантів світла витрачається на перенесення носіїв заряду на більш високі для них енергетичні рівні в межах відповідної дозволеної зони.

ЗАКОНИ ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА

• Cвітло з інтенсивністю I0 яке падає на тіло товщиною l частково відбивається від границь розділу середовищ (рис.). З урахуванням відбиття від першої поверхні у зразок пройде випромінювання з інтенсивністю (1 - R)I0. Внаслідок поглинання у шарі товщиною dx інтенсивність випромінювання I зменшиться на величину dI. Кількість поглиненої енергії dI пропорційна кількості енергії I що падає і товщині поглинаючого шару dx -dI = Idx

Коефіцієнт пропорціональності , що

виражає кількість енергії поглинутої з пучка одиничної інтенсивності у шарі одиничної довжини, називається коефіцієнтом поглинання (абсорбції) світла.

Проінтегровавши цей вираз отримаємо

закон Бугера:

I = I0exp(- l)

Звідси легко знайти інтенсивність випромінювання що досягло другої поверхні зразка (1 - R)I0exp(- l). Інтенсивність світла що вийшла зі зразка дорівнює (1 - R) (1 - R)I0exp(- l). Якщо врахувати багаторазове повторне відбиття світла від поверхонь отримаємо T =

Звідси

Якщо l велике, то другим доданком у знаменнику можна знехтувати тоді для інтенсивності світла що пройшло крізь зразок отримаємо I = (1-R) 2I0exp(- l) Для коефіцієнта поглинання у цьому випадку справедливе співвідношення

Ламберта

= - ln

ЗАЛОМЛЕННЯ ТА ВІДБИТТЯ CВІТЛА

•При розповсюдженні світла в прозорій речовині, змінюється його швидкість.

Для характеристики оптичних властивостей середовища вводять абсолютний і відносний показники заломлення.

•Абсолютним показником заломлення середовища називається величина, що дорівнює відношенню швидкості електромагнітної хвилі у вакуумі до їх фазової швидкості в середовищі:

n = c/v =

•Для середовища, яке не має феромагнітних властивостей n =

•Відносним показником заломлення двох середовищ називається величина, яка

дорівнює відношенню показників заломлення цих середовищ: n21 = n2/n1 Відбиття світла від твердих тіл характеризується коефіцієнтом відбиття

R = IR/I0.

Коефіцієнт відбиття пов’язаний з показником заломлення n і показником поглинання

(екстинції) k формулою Френеля R =

де k = .

.

Звідси можна знайти коефіцієнт n n = (+

Існує зв’язок між показниками заломлення та поглинання та реальною і уявною частинами діелектричної сталої матеріалу

= 1+ 2=(n+ik)21 = n2- k2, 2 = 2nk

ФОРМУЛА ДРУДЕ-ФОЙГТА

•При отриманні зв'язку коефіцієнта заломлення з довжиною хвилі у визначеній області значень користуються основами теорії гармонічних коливань, а також

емпіричною формулою Друде-Фойгта.

•У відповідністю з теорією гармонічних коливань коефіцієнт заломлення n можна

представити у вигляді

n2 = 1 + ln,

де = , Ed, E0 - сталі речовини.

Коефіцієнт заломлення n згідно з емпіричною формулою Друде-Фойгта, може бути записаний у вигляді

n2 = 1 + ,

де N – число іонів в одиниці об'єму;

e і m – заряд і маса електрона відповідно.

СПЕКТРИ ПРОПУСКАННЯ ТА ВІДБИТТЯ

Спектри пропускання (а) та відбиття (б) плівок CdТe, отриманих при Te = 893 K та різних температурах підкладки Ts, K: 293 (1); 373 (2); 473 (3); 573 (4); 673 (5); 773 (6).

ПРЯМОЗОННІ ТА НЕПРЯМОЗОННІ МАТЕРІАЛИ

Відомі в наш час напівпровідники у відповідності з конфігурацією зон поділяють на два основні види. У першому з них мінімум енергії в зоні провідності, який характеризується хвильовим вектором kмін і максимумом енергії у валентній зоні kмакс розташовані у одній тій самій точці зони Брилюєна (звичайно у точці k = 0). Такі напівпровідники називаються прямозонними (GaAs, InSb, CdTe). У іншого виду напівпровідників екстремуми зони провідності і валентної знаходяться при різних значеннях k. Такі напівпровідники називаються непрямозонними (Ge, Si). Оскільки екстремуми зон