Файл: Конспект.doc

Св́ітло це електромагнітні хвилі видимого діапазону. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7,5×10¹⁴ - 4,0×10¹⁴Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нм. У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру.

Електромагнітна хвиля – це розповсюдження електромагнітного поля (електромагнітних коливань) у просторі. Електромагнітна хвиля є плоскою поперечною хвилею. Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується частотою, довжиною хвилі, поляризацією та інтенсивністю. У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку - швидкістю світла (с=310⁶ м/c). Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Взаємодіючи з речовиною, світло розповсюджується і поглинається. При переході з одного середовища в інше змінюється швидкість розповсюдження світла, що призводить до його заломлення. Поряд із заломленням на границі двох середовищ світло частково відбивається.

Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами: фотонами, енергія яких залежить від частоти: E = h , де E - енергія кванта,  - частота, h - стала Планка.

Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим спектром сприймається як кольорове. Як і будь-яка інша електромагнітна хвиля світло характеризується поляризацією. Денне світло зазвичай неполяризоване, або частково поляризоване.

Електромагнітні хвилі

еннгенуннуекн

= T =  /, E = h = hv/,

де  - довжина хвилі;  - її швидкість;  - частота; Е - енергія

ЗОННА ДІАГРАМА МАТЕРІАЛІВ

Зону дозволених енергій, яка виникла з того рівня, на якому знаходяться валентні електрони в основному стані атому називають валентною зоною, вільну від носіїв зону над валентною називають зоною провідності. Залежно від заповнення валентної зони та ширини забороненої зони можливі три випадки зображені на рис.

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=I_T зменшується. Якщо інтенсивність світла що падає I₀, а відбитого I_R то відношення R = I_R/I₀називається коефіцієнтом відбиття. Відповідно відношення інтенсивності світла що пройшло I_Tдо вхідної T = I_T/I₀називається 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:

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

2. Домішкові поглинання. Енергія фотонів йде на іонізацію або збудження домішкових атомів. Можливе якщо E = hv>E_a₍_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 = I_R/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)²

₁ = 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  = , E_d_,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 T_e = 893 K та різних температурах підкладки T_s, 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 k_мін і максимумом енергії у валентній зоні k_максрозташовані 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 зміщені за k, то перекидання електрона під дією фотона відбувається зі зміною вихідного значення квазіімпульса. Для цього потрібне третє тіло – фонон, який забере частину імпульсу на себе. Такі переходи менш ймовірні.