Реферат: Оптические свойства полупроводниковых пленок в видимой и ИК частях спектра

Согласно (1.16а) коэффициент экстинкции оказывается отличным от нуля, если отлична от нуля мнимая часть диэлектрической проницаемости. Последняя может быть обусловлена как носителями заряда, так и решеткой. В первом случае имеет место поглощение электромагнитной волны, связанное с различными электронными переходами, во втором — поглощение, связанное с передачей энергии непосредственно решетке, т. е. с генерацией только фононов.

Отметим два случая [1].

а. Непоглощающая среда. Пусть σ₁ = ε₂ = 0. Тогда, согласно (1.16а, б),

χ = 0 и

(1.17)

Это есть формула Максвелла для показателя преломления, дополненная лишь учетом возможной частотной зависимости ε₁ '.

б. Слабое поглощение волны достаточно большой частоты. Пусть ω больше плазменной частоты, т. е. ε₁ ' > 0. Пусть также

(1.18)

Тогда коэффициент преломления по-прежнему дается формулой (1.17), а коэффициент экстинкции есть

(1.19)

Показатель поглощения равен теперь

(1.20)

Смысл условия (1.18) можно выяснить, вспоминая, что длина электромагнитной волны в среде есть . С помощью этого соотношения и равенств (1.17), (1.20) легко привести условие (1.18) к виду

(1.18')

Иначе говоря, расстояние, на котором волна заметно поглощается, должно быть велико по сравнению с ее длиной.

Условие ε₂ ' > 0 и неравенство (1.18') выполняется во многих интересных случаях. При этом вклад свободных носителей заряда в диэлектрическую проницаемость образца обычно невелик, т. е. ε₁ ' ≈ ε₁ . Небольшим оказывается обычно и решеточное поглощение в рассматриваемой области частот:

ε₂ << 1. При этом формулу (1.20) можно переписать в виде (при μ ≈ 1)

(1.20')

На опыте часто измеряют еще коэффициент отражения R. Последний определяется равенством [1]

(1.21)

Здесь E_i — амплитуды волны, падающей на образец, E_r —амплитуда отраженной волны. Пользуясь граничными условиями для компонент вектора E на поверхности образца, можно выразить R через коэффициенты преломления и экстинкции п и χ. В случае нормального падения мы имеем

(1.22)

2. Механизмы поглощения

Процессы поглощения света следует классифицировать по тому, на что непосредственно расходуется энергия поглощенных фотонов. Можно выделить следующие механизмы [1]:

1) Решеточное поглощение: электромагнитная волна непосредственно возбуждает колебания решетки. Этот механизм поглощения особенно важен в ионных кристаллах, в которых генерация оптических фононов приводит к заметному изменению вектора поляризации; однако такое поглощение наблюдается и в гомеополярных материалах. Его испытывают волны, частоты которых близки к предельной частоте оптических фононов ω₀ . (Обычно это соответствует энергии в несколько сотых долей электронвольта.)

2) Поглощение свободными носителями заряда: энергия расходуется на создание тока высокой (оптической) частоты и, в конечном счете, переходит в джоулево тепло.

3) Примесное поглощение: энергия поглощается носителями заряда, локализованными на примесных или иных структурных дефектах решетки. Она расходуется либо на перевод носителей с основного уровня примесного центра на возбужденный, либо на ионизацию примеси. В последнем случае электроны (дырки) попадают в зону проводимости (валентную), т. е. имеет место внутренний примесный фотоэффект. Таким путем можно определять энергии ионизации ряда примесей.

4) Междузонное поглощение: энергия фотона расходуется на создание пары «электрон проводимости + дырка». В отсутствие сильного электрического поля и/или большой концентрации примеси этот тип поглощения опознается по наличию граничной частоты ω_m , близкой к Е_g /ћ. При ω < ω_m поглощение этого типа отсутствует. Следует, однако, заметить, что вид спектра поглощения вблизи частоты ω = ω_m в разных материалах оказывается различным. На рисунке 2.1 представлен спектр поглощения арсенида галлия.