Теоретические сведения. Цель работы: 1. Ознакомление с устройством однолучевого спектрофотометра SPECOL-20

СПЕКТРА ПРОПУСКАНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16

Цель работы: 1. Ознакомление с устройством однолучевого спектрофотометра SPECOL-20.

2. Определение ширины запрещённой зоны полупроводника по зависимости коэффициента пропускания от длины волны излучения.

Приборы: однолучевой спектрофотометр SPECOL-20.

С точки зрения происходящих процессов полупроводники в значительной степени подобны кристаллическим диэлектрическим твёрдым телам, то есть оптические явления в них также обусловлены взаимодействием излучения со связанными носителями заряда, атомами кристаллической решётки и примеси.

Если энергия квантов hv падающего света превышает ширину запрещённой зоны полупроводника, то поглощение излучения в основном обусловлено переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости (процесс 1 на рис. 45). При этом создаются дополнительные свободные носители заряда – увеличивается концентрация подвижных электронов и дырок. Это явление называется внутренним фотоэффектом, а область длин волн, соответствующая энергиям фотонов, превышающим ширину запрещённой зоны – собственной полосой поглощения материала.

При облучении возможны также процессы, приводящие к повышению концентрации только одного типа свободных носителей заряда, электронов или дырок. Это происходит при наличии глубоких примесных уровней с энергиями Е_пр в запрещённой зоне полупроводника (рис. 50). Если энергия квантов света больше разности энергий Е_в и Е_пр, электроны примесных уровней Е_пр переходят в зону проводимости (переходы 2 на рис. 50) При этом число дырок в валентной зоне остаётся неизменным.

Рис. 50

Если же, поглощая энергию света, электроны переходят из валентной зоны на примесные уровни Е_пр (переходы 3 на рис. 45), то увеличивается лишь концентрация дырок в валентной зоне, а число электронов в зоне проводимости не изменяется. Следует отметить, что поглощение излучения за счёт переходов электронов с участием глубоких уровней Е_пр значительно меньше поглощения, соответствующего собственной полосе (рис. 51).

Рассмотренные механизмы поглощения, приводящие к появлению свободных носителей заряда, называются фотоактивными. Существует также целый ряд механизмов поглощения, не сопровождающихся появлением свободных носителей заряда. Это, прежде всего, экситонное поглощение и поглощение свободными носителями заряда.

Рис. 51

Экситонное поглощение энергии кванта представляет собой такой вид возбуждения связанного электрона, при котором он не отрывается от атома, а лишь переходит на один из незаполненных уровней, оставаясь в непосредственной близости от своего атома. При этом свободные носители заряда не возникают, и электропроводность кристалла не изменяется.

Излучение может быть также поглощено свободными электронами. Этот вид поглощения наблюдается в сильнолегированных полупроводниках с очень высокой концентрацией свободных носителей заряда. Под действием электромагнитного излучения свободные электроны совершают колебательные движения. Если в процессе этих колебаний электрон испытывает столкновения с атомами кристаллической решётки, то он передаёт ей энергию электромагнитного поля. Вероятность поглощения свободными электронами возрастает с уменьшением частоты падающего излучения, то есть проявляется в инфракрасной области спектра. На рис. 51 приведена качественная зависимость коэффициента поглощения полупроводника от длины волны.

Участок 1 кривой поглощения соответствует полосе собственного поглощения, обусловленной межзонными переходами. Максимумы 2, 3, 4 вызваны экситонным (2) и примесным (3, 4) поглощением. Штриховая линия 5 соответствует поглощению свободными носителями заряда. Из рисунка видно, что основной вклад в поглощение света вносит собственное поглощение, а остальные механизмы проявляются лишь в длинноволновой области спектра.

Таким образом, собственный или слаболегированный полупроводник почти не поглощает излучение с энергией фотонов меньше ширины запрещённой зоны полупроводника. При этом коэффициент пропускания остаётся достаточно большим и постоянным. Когда энергия фотонов достигает ширины запрещённой зоны (край полосы собственного поглощения), электроны валентной зоны, получая достаточную энергию, переходят в зону проводимости, и поглощение энергии излучения резко возрастает. Соответственно коэффициент пропускания резко уменьшается. Энергия фотона связана с длиной волны излучения соотношением

, (1)

где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме. Поэтому, определив по резкому падению коэффициента пропускания длину волны λ края полосы собственного поглощения, можно рассчитать соответствующую энергию фотонов, равную ширине запрещённой зоны исследуемого полупроводника.

Дата добавления: 2015-06-04