Примесное поглощение

Оптическое поглощение, обусловленное ионизацией или возбуждением примесных центров в кристалле, называется примесным. Как известно, при наличии в полупроводнике донорной и акцепторной примесей в его запрещённой зоне появляются локальные энергетические состояния. При освещении полупроводника светом наблюдается непрерывная полоса поглощения, вызываемая переходами электронов с энергетических уровней примеси в зону проводимости. Подобным образом электрон валентной зоны может быть переведен при освещении на акцепторный уровень.

Кроме основных состояний примесные центры могут иметь и энергетические уровни возбуждения. Возбуждение электронов примеси, т.е. перевод электрона из основного в возбуждённое состояние, приведет к появлению поглощения, в спектре которого будет наблюдаться несколько полос (рис. 5).

Произведем оценку энергии ионизации примеси в кристаллической решетке полупроводника. В качестве примера рассмотрим донорную примесь в решетке германия. Четыре ее валентных электрона участвуют в ковалентной связи. Характер движения пятого валентного электрона в атоме донорной примеси весьма сходен с движением электрона в поле протона водородного атома. Хотя электрон примеси и притягивается зарядом положительного иона, как и электрон атома водорода, однако этот заряд находится в диэлектрической среде, действие которой необходимо учитывать. Кроме того, следует отметить и тот факт, что эффективная масса электрона в кристалле не равняется массе свободного электрона . При этих условиях из уравнения Шредингера следует, что энергия ионизации донорной примеси

. (1.13)

Для атома донорной примеси, находящегося в решетке германия, при условии, что = и = 16, получаем = 0.01 эВ. Аналогичный расчет может быть произведен и для акцепторной примеси. Согласно эксперименту для атомов сурьмы и алюминия в решетке германия значение энергии ионизации соответственно равны 0.0097 и 0.010 эВ. Таким образом, в первом приближении теоритический расчет энергии ионизации для элементов v и ɪɪɪ групп таблицы Менделеева, которые являются донорной и акцепторной примесью в полупроводниках типа германия и кремния, хорошо согласуется с экспериментальными данными.