72) Поглощение света на колебаниях решетки.
Решеточное поглощение
Полупроводниковые соединения, состоящие из атомов различного типа, можно рассматривать как набор электрических диполей. Эти диполи могут поглощать энергию электромагнитного поля; наиболее сильное взаимодействие с излучением имеет место, если частота излучения равна частоте колебаний диполя. Это происходит в далекой инфракрасной области спектра. Обычно колебания являются сложными, включающими несколько типов нормальных колебаний (эмиссия многих фононов). Импульс фотона h/l пренебрежимо мал, тогда как фононы могут обладать квазиимпульсом вплоть до величины h/а (а — постоянная решетки).
Поэтому для выполнения закона сохранения квазиимпульса должны быть испущены два или более фононов. В полупроводниках имеются две поперечные оптические (ТО) ветви колебаний, две поперечные акустические (ТА), одна продольная оптическая (LO) и одна продольная акустическая (LA). Иногда две поперечные ветви колебаний обладают сходными кривыми дисперсии Ер(k). Далее, некоторые комбинации фононов запрещены согласно правилам отбора. Тем не менее число возможных комбинаций всех этих типов колебаний чрезвычайно велико, и именно это обусловливает сложность обычно наблюдаемой структуры. На рисунке 4.1 показана часть спектра поглощения GaAs n-типа, связанного с колебаниями решетки [2].
В гомеополярных полупроводниках нет диполей. Однако спектры решеточного поглощения наблюдаются. Очевидно, имеет место процесс второго порядка: излучение индуцирует диполь, который сильно взаимодействует с излучением, и в результате возникают фононы. На рисунке 4.2 показан для примера спектр решеточного поглощения гомеополярного полупроводника Si, соответствующая идентификация фононов приведена в таблице 4.1. Для объяснения поглощения в области больших энергий привлекались процессы еще более высокого порядка, соответствующие одновременному испусканию четырех фононов [2].
Интересно отметить, что введение в гомеополярный полупроводник дефектов (например, путем облучения нейтронами) создает локальные поля, которые делают возможными однофононные переходы (в нормальных условиях запрещенные).
Рисунок 4.1. Спектр поглощения, связанного с колебаниями решетки, высокоомногоGaAs n-типа в области энергий 0,04 — 0,07 эВ (нижняя шкала) при 20, 77 и 293 К. |
Рисунок 4.2. Решеточное поглощение в Si, выращенном в вакууме. Кривая 1 — 365 К, кривая 2 — 290 К, кривая 3 — 77 К, кривая 4 — 20 К. |
Таблица 4.1. Фононы, участвующие в поглощении в кремнии
Волновое число, мм-1 |
Энергия пика, эВ |
Тип фононов * |
144,8 |
0,1795 |
3TO |
137,8 |
0,1708 |
2TO + LO |
130,2 |
0,1614 |
2TO + LO |
|
|
2TO + LA |
96,4 |
0,1195 |
2ТО |
89,6 |
0,1111 |
TO + LO |
81,9 |
0,1015 |
TO + LA |
74,0 |
0,0917 |
LO + LA |
68,9 |
0,0756 |
ТО + ТА |
61,0 |
0,0702 |
LO + TA |
* ТО = 0,0598 эВ, LO = 0,0513 эВ, LA = 0,0414 эВ, ТА = 0,0158 эВ.