Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 146
Скачиваний: 3
§ 4. Экситоны |
21 |
— со скоростью h 1 (dEJdk), а дырка — со |
скоростью |
/г-1 {dEJdk) (Ес относится к зоне проводимости, Е ѵ — к валент ной зоне). Поскольку электрон и дырка, образующие экситон, должны двигаться
скорости должны быть одинаковыми. Это
Фи г. 1.10. Диаграмма энергетических уровней экситона и его возбужденных состояний.
Энергия экситона отсчитывается от края зоны про водимости.
условие налагает ограничение на области к-пространства, где мо гут существовать экситоны, а именно в «критических точках»:
[ — Л |
— Г âE 1 |
L dk Jэлектр |
L dk Jдыр |
Поскольку эффективная масса дырки на много порядков мень ше массы протона, аналогия между атомом водорода и экситоном оказывается неполной: центр тя жести экситона может отстоять от дырки на много постоянных
Ф и г . 1.11. Экситон в области ис кривления зон.
а — сильное локальное поле; 6 — дефор мационный потенциал.
решетки. Движущийся экситон обладает кинетической энергией /гЧс2
2 {тПе-f-nih)
хде К — волновой вектор, связанный с движением центра тяжести. Если принять во внимание кинетическую энергию, то экситонныѳ уровни превращаются в зоны.
При высоких концентрациях электронов и дырок кулоновское отталкивание между электронами и между дырками стремится уменьшить кулоновское притяжение между ними, т. е. мы имеем дело с экранированным кулоновским взаимодействием, но образо вание экситонов все еще может происходить [17]. Однако при силь ном легировании флуктуации потенциала создают внутренние поля. Локальные поля в полупроводнике вызывают силы, действующие независимо на электрон и дырку. Эти силы направлены в противо
22 Глава І . Энергетические состояния в полупроводниках
положные стороны, как показано на фиг. 1.11, а. Если локальное поле превышает внутреннее поле в экситоне, последний диссоции рует.
Если же локальное поле связано с деформационным потенциа лом (фиг. 1.11, б), то на электрон и дырку действуют силы, напра вленные в одну и ту же сторону. Эти силы не разрушают экситои, а заставляют его двигаться в область с минимальной шириной запрещенной зоны.
Отметим, что при диссоциации экситона образуется свободный электрон и свободная дырка. Если время жизни экситона очень мало, то era энергетические уровни уширены в силу принципа неопределенности.
2. Экситонные комплексы
Можно себе представить, что 3 или более частиц объединяются и образуют ионоподобные или молекулоподобные комплексы [18].
Ф и г . 1.12. Экситонный комплекс, состоящий из двух электронов, связан ных с двумя дырками.
Простейший набор возможных комплексов схематически пред ставлен ниже:
Ѳ + - Н 2+ I
® ------ Н- |
> экситонные ионы, |
+ + - Н 2+ |
J |
Н— 1---------Нг |
1 |
® - г ------ Н2 |
экситонные молекулы, |
J |
где ® означает донор, + означает дырку, — означает электрон. Аналогичный набор можно составить и для акцептора @.
У всех этих моделей могут быть дополнительные особен ности, определяемые отношением эффективных масс mtlm*. Мы лишь упомянем о тех сложностях, которые можно ожидать: каж дый электронный уровень обладает тонкой структурой, соответ ствующей вращательным и колебательным степеням свободы.
§ 4. Экситоны |
23 |
Дальнейшие осложнения можно связать с тем обстоятельством, что эффективные массы носителей обычно не изотропны. Однако все эти осложнения должны приводить к ма
лым |
эффектам, |
в основном уширяющим ос |
Е |
||||||
новные энергетические уровни. Две свобод |
Ес |
||||||||
ные |
дырки |
и |
два |
свободных |
электрона |
Ех. |
|||
(+Ч --------- ) могут объединиться в |
комплекс, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-'С 1 |
Ф и г. |
1.13. |
Диаграмма |
энергетических |
уровней |
|
||||
экситонного |
комплекса, показанного на |
фпг. 1:12. |
|
||||||
Ех — энергия |
связи |
свободного |
эксптопа |
(электронно-ды |
Еѵ |
||||
рочной |
пары); |
Ехг> — энергия |
связи |
двух |
свободных |
экситоноп.
напоминающий молекулу позитрония (фиг. 1.12). Энергия связи такого комплекса должна превышать удвоенную энергию связи свободного экситона (фиг. 1.13), поскольку на каждый носитель действует кулоновское притяже ние не одного, а двух зарядов противоположного знака. Та кой комплекс был обнаружен
Фи г . 1.14. |
Экситон, связанный |
с |
донором D. |
в кремнии [19] и ряде других полупроводников.
Свободная дырка может соединиться с нейтральным донором и образовать положительно заряженный экситонный ион. В этом
|
Т |
И |
т |
т |
,ѵ |
|
/1 |
cer; |
|
®"Т |
1 |
Т |
т |
|
т - |
||||
і\ |
\ |
/ |
і \ / і |
||||||
1 |
1 |
1 1 |
\ |
/ |
|||||
) |
|
11 |
\ |
/ |
---- |
---- |
\ |
/ |
|
1 |
|
і'\ |
|||||||
1 |
|
11 |
|
|
|||||
1 |
|
а |
|
У |
|
|
|
. V |
|
+ |
|
|
|
|
|
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НІ |
н~ |
Hi |
|
н~ |
|
нг |
|
Нг |
|
ъ |
ь |
f |
|
|
|
|
|
|
Ъ |
|
Ф и г. 1.15. Экситонные комплексы. |
||||||||
Обозначения: Ь — связанные |
экситоны; f — свободные; — электрон; -f- дырка; © — до |
||||||||
|
|
нор; Q — акцептор. |
|
|
|
случае электрон, связанный с донором, но-прежнему движется по большой орбите вокруг донора. Связанная с донором дырка, двигаясь под действием электростатического поля «фиксирован
24 Глава 1. Энергетические состояния в полупроводниках
ного» диполя, определяемого мгновенным положением элект рона, также перемещается вокруг этого донора (фиг. 1.14), поэтому такой комплекс называется «связанным экситоном». Электрон, объединяясь с нейтральным акцептором, также образует связан ный экситои. Оба указанных типа связанных экснтонов впервые наблюдались в кремнии [20]. Как показали эксперименты, энергия связи экситонного комплекса в кремнии составляет примерно 1/10 часть энергии связи примеси (донора или акцептора) [20]. Эта величина согласуется с теоретической оценкой [21, 22], соглас но которой энергия связи ЕХ2 экситонного комплекса должна быть заключена в пределах 0,055 E t < Е Х2 < 0 ,3 5 £ г; нижний предел соответствует удалению электрона с отрицательного водородопо добного иона, верхний —диссоциации водородоподобной моле кулы.
Все возможные экситонные комплексы, свободные или связан ные с одной нейтральной примесью, изображены на фиг. 1.15.
3. Поляритоны [23, 24J
Поляритон есть комплекс, возникающий в результате поляри зационного взаимодействия между электромагнитной волной и ос циллятором с той же резонансной частотой. Таким осциллятором могут быть один или более ато
мов, электроны или дырки или |
||||
их комбинации. Хотя |
первона |
|||
чально термин «поляритон» упо |
||||
треблялся |
для |
описания взаи |
||
модействия |
между экситоиами |
|||
и фотонами, сейчас его исполь |
||||
зуют |
также |
в тех |
случаях, |
|
Ф и г . |
1.16. Дисперсионные кривые |
|
для свободных экситонов |
и фото |
k . |
нов (сплошные линии) и |
полярито- |
нов (пунктирная кривая). |
когда речь идет о взаимодействии между фотонами и оптическими фононами или между фотонами, и плазмонами. Фононы суть коллективные колебания атомов, образующих кристалл; плазмоны суть коллективные колебания свободных носителей.
Рассмотрим случай взаимодействия между экситонами и фото нами. Дисперсионная кривая свободного экситона представляет собой параболу, показанную на фиг. 1.16, дисперсионная кривая фотона изображается прямой линией.
§ 5. Донорно-акцепторные пары |
25 |
Дисперсионная кривая поляритона, описывающая взаимодей ствие между фотоном и экситоном, сильно отличается от этих кривых вблизи области их пересечения. Нас будет интересовать только нижняя ветвь дисперсионной кривой. В области выше излома дисперсионная кривая описывает частицу, которая ведет себя как свободный экситон, а в области ниже излома — как фотон.
Поляритон не следует путать с поляроном [25], который воз никает в ионных кристаллах в результате взаимодействия между электроном и решеткой и потому состоит из свободного электрона (или дырки) и связанных с ним фононов. В ионных кристаллах ближайшие к электрону атомы смещены из-за кулоновского взаи модействия с электроном. За счет этого поляризационного эффекта энергия и эффективная масса полярона отличаются от их значений для свободного носителя.
§ 5. ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНЫЕ ПАРЫ
Доноры и акцепторы могут образовывать пары и действовать как неподвижные молекулы, погруженные в кристалл. Кулонов ское взаимодействие между донором и акцептором вызывает умень шение их энергий связи. В этом можно убедиться при помощи сле дующего простого рассуждения. Если расстояние между нейтраль ными донором и акцептором уменьшается, то орбиты донорного элткерона все больше захватывают область, где находится акцептор. Другими словами, донор и акцептор становятся все более ионизо ванными. В полностью ионизованном состоянии энергия связи равна нулю и соответствующий уровень совпадает с краем зоны. Величина сдвига примесных уровней в результате такого парного взаимодействия равна энергии кулоновского взаимодействия в среде с диэлектрической проницаемостью е:
где г — расстояние между донором и акцептором, образующими пару. Поскольку электрон принадлежит донорно-акцепторной паре, не имеет смысла говорить о том, какая часть АЕ изменяет основное состояние каждой примеси. В случае экситона мы тоже могли бы «разделить» его энергию связи между состояниями элек трона и дырки и отсчитывать эти энергии связи от соответствую щих зон. При рассмотрении донорно-акцепторных пар удобно говорить только об энергетическом расстоянии между донорным и акцепторным уровнями"
Е пары — Ее —Ев — Еа -f- — , |
(1.13) |
ЕГ |
|
26 Глава 1. Энергетические состояния в полупроводниках
где Е п и Е а — энергии ионизации изолированных донора и ак
цептора соответственно.
Отметим, что, поскольку примеси могут занимать дискретные положения в решетке (например, примесь замещения занимает узлы), расстояние г меняется конечными порциями. Для ближай ших соседей г минимально; с увеличением расстояния между пара ми г увеличивается, но все более медленно. Таким образом, взаимо действие пар создает набор возможных состояний: от и ЕА для пар с большими г (взаимодействие пренебрежимо мало) до со стояний, которые могут оказаться в пределах зоны проводимости и валентной зоны (для ближайших соседей, когда (д2/кг) > Е D +
+ЕА [26]).
Всложных полупроводниках следует обращать внимание па то, какие именно узлы решетки заняты примесью [27]. Анионы и кати оны образуют сходные, но отдельные подрешетин. Примесь заме щения может находиться в узлах одной из этнх подрешеток. Если донор и акцептор находятся в одной и той же подрешетке, они обра зуют донорно-акцепторную пару типа I (например, Si и Те в подре шетке Р в GaP); если же они занимают узлы разных-подрешеток, то мы имеем дело с донорно-акцепторной парой типа II (например, Zn в подрешетке Ga и S в подрешетке Р в GaP).
§6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
ВПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СПЛАВАХ
Можно ожидать, что ширина запрещенной зоны сплава двух полупроводников будет иметь значение, промежуточное между ширинами запрещенных зон его чистых компонентов, и будет меняться пропорционально составу сплава.. Однако скорость изменения ширины запрещенной зоны в зависимости от состава зависит от того, какая из долин зоны проводимости является наинизшей. Ge и Si образуют твердый раствор, и сплав Ge^^Si* существует при любом соотношении между компонентами О < . х < 1 [28]. При увеличении концентрации Si долины (111) дви жутся (по отношению к вершине валентной зоны) в сторону боль ших энергий быстрее, чем долины (100) (фиг. 1.17). При х « 0,15 два набора долин оказываются при одинаковой энергии. Заметим, что ширина запрещенной зоны сплава меняется нелинейно в зави симости от состава. Это отклонение от линейности можно объяснить образованием хвостов зон, вызванным хаотическими искажениями решетки атомами неосновного компонента.
Интересно отметить, что Si и С образуют соединение с хорошо определенными подрешетками для каждого элемента, тогда как
всплаве Ge и Si это не имеет места.
Внекоторых тройных соединениях ширина запрещенной зоны, по-видимому, меняется линейно в зависимости от состава. В этом