1tom - 0155.htm
238
о
I
ш
-О
X
Интенсивность соответствующей линии мала и сильно зависит от состояния поляризации света, проходящего через кристалл. Многочленная вкситонная серия наблюдается в кристалле Sn02, где прямые ди-нольные межзонные переходы также запрещены, а линия и≈1 разрешена лишь в квадрупольнои приближении.
Энергия ионизации Яде зависит от величины его привед╦нной эффективной массы |я и дизлектрич, проницаемости кристалла е. Она очень мала для узкозонных полупроводников, напр, для InSb, где т$≈0,0139 т0 (т0 ≈ масса свободного электрона), а е≈17,9, энергия связи ^«3,5-Ю-3 эВ.
Влияние примесей на образование В.≈М. э. В крис-таллич. полупроводниках, содержащих примеси, созда-
Г
,НГ[
1
1
а б в
Рис. 2. Оптические переходы кристалла из основного состоянии Т, и ЭКСИ.ТОННЫС энергетические зоны; £"р, £дП ≈ширины
запрещ╦нных зон для прямых и неирлмых ш-роходои. о≈Прл-мьк; бксфононныо переходы, когда возникают нкситоны с волновым вектором AV*≈О- Спектр поглощения≈вод ор од огто-добная серии у;и;их линий поглощения (рис, 1). б≈Прямые однофононные переходы, при которых возникают окситоны с AVJC =^1.1; сплошные линии≈переходы с поглощением фоггона, пунктир ≈ переходы с рождением фонона; сшжтр состоит из ступенек сштопжого поглощения, в ≈ Непрямые; однофононные переходы в экситонные зоны, расположенные у дна зоны проводимости при fc ф и.
вяцио мелкие уровни (донорные или акцепторные) при темп-pax Т, превышающих порог ионизации примесных состоянии, свободные носители заряда могут экранировать кулоновскоо взаимодействие и разрушать
зона проводимости
В.≈М. э. При наличии свободных носителей потенциал кулоновского взаимодействия имеет вид;
V(r} =
-г-г
D
кг
(8)
CD
Г-
сп
со
m
-a-in
Рис. 3, Схема йкситойных уровней («) и иалентных зон (6} и Сп2О. Экситон с Rex-= 0,097 аВ образован электроном зоны проводимости и дыркой валентной зоны rb а экситоц с Лех=0,154 эВ≈ электроном ионы проводимости и дыркой валентной зоны г>2; Д ≈ величина спин-орбита, льного расщепления валентной зоны, в ≈Экситон-Валентные ный спектр поглощения Си2О зоны (пластинка толщиной 15 мкм), видны 2 серии и ж╦лтой и нелепой частях спектра.
где rf)=£kTJ^Tie'£N ≈ дебаевский радиус экранирования. Здесь N ∙≈ концентрация свободных носителей заряда. Если радиус первого окситошюго состояния с п≈i aeyi-=╧vi\\╧* (боровский радиус Б,≈М. э.), то условно исчезновения экситонной серии вследствие икраштроякн: аех>Г£). Для В.≈М. э. н кристаллах Ge это условие выполняется при концентрации доноров ~101Г см~3 и Т-^11 К. Т. о., для наблюдения слабо-снмзанных JKCHTOHOB в полупроводниках необходимы низкие темп-ры и чистые кряста.нлы.
Возбужд╦нные светом электроны и дырки могут связываться в 13.≈М. э. вблизи шштр. или ааряж. примеси, в результате чего возникают связанные состояния oKCHTOiiii с примесным центром ≈ примесные экс-итоны (у к с и т о н н ы о комплекс ы).
Роль зонной структуры полупроводника. Узкие линии в экс и тонном спектре поглощения кристалла наблюдаются при прямых бесфопонных оптич. переходах, когда рождаются экситоны с А^х=0 (рис, 2, я). При участии фонона возможны оптич. переходы в точки экси-тонных зоне kex^0 (рис. 2,6). В этом случае спектр поглощения В.≈М. э. имеет ступенчатый характер. На рис. 2, б тюкаааны оптич, переходы с участием фоном.af идущие в центре Бриллюэна зоны. Сплошное поглощение, связанное с участием фононов, наблюдается также, если оптич, переходы совершаются в экситонные состояния, расположенные вне центра зоны Бриллтоэна (рис. 2, <?). Такие непрямые («косые») переходы характерны для кристаллов Si, Ge, GaP, у к-рых абс. ;шср-гстич. минимумы зоны проводимости расположены не в центре зоны Бриллюэна.
В спектрах поглощения и отражения полупроводников может наблюдаться неск. серии линий, обусловленных В,≈М. э. Это связано со сложной зонной структурой полупроводников. Паир., в кубич. кристаллах лалентпая зона расщепляется на две подзоны (рис. 3, а]. Следствием ^того является появление двух В. ≈М. э.т образованных дырками разных валентных подзон (рис. 3, 6} и двух серии линий (рис, 3, в). Расстояние между границами этих серии соответствует величине слип-орбитального расщепления. В кристаллах с симметрией ниже кубической валентная зона расщепляется на 3 подзоны. Соответственно в сггектрах наблюдаются 3 серии икситоннмх линий (напр., CdS, CdSe).
Двухчастичное ур-ние (1) описывает упрощ╦нно упергетич. спектр В.≈М. э. Более строгая теория учитывает, помимо существования подзон л╦гких и тяж╦лых дырок, вырожденных при k=G в кубич. полупроводниках, гофрировку валентной зоны в ^-пространстве, анизотропию эффективных масс, симметрию внутри-кристаллич. поля, а также др. особенности зонной структуры и взаимодействий квазичастиц в кристалле. Такая теория (приводящая к громоздким численным расчетам) описывает отклонение положения зкси-топпых уровней от простой водородоподобной зависимости (4), тонкую структуру экситонного спектра, закономерности, наблюдаемые при изучении влияния полей на лсситоннме спектры [3).
244
n 2.177≈≈^г- з8 └Желтая серия"
")
}
