Главная > Разное > Теория поглощения и испускания света в полупроводниках
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 15. ДЕФОРМАЦИЯ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ. НАСЫЩЕНИЕ УСИЛЕНИЯ

Однородное и неоднородное уширение спектральных линий.

В предыдущем параграфе показано, что под действием мощных потоков света коэффициент поглощения на частоте возбуждения уменьшается до нуля. Естественно возникает вопрос об изменении поглощательной способности вещества на других частотах. Остается ли она постоянной или изменяется по определенному закону?

В общем случае на этот вопрос нельзя дать однозначного ответа. Характер изменения всего спектра поглощения при возбуждении монохроматическим светом зависит и от природы спектра и от условий постановки опыта, и от способа возбуждения. При этом прежде всего необходимо различать однородное и неоднородное уширение линий.

На опыте всегда наблюдается поглощение излучения большим числом частиц, к которым относятся атомы газа, молекулы раствора, экситоны, электроны, дырки и примесные центры в кристаллах и т. п. Спектральная линия называется однородно уширенной, если ее контур совпадает с контуром линии поглощения одной частицы. Если же наблюдаемый контур линии — это сравнительно широкая огибающая кривая совокупности более узких контуров отдельных частиц, то линия будет называться неоднородно уширенной.

К однородно уширенным линиям относятся в первую очередь все естественные контуры линий. Естественная ширина линий связана с взаимодействием вещества с нулевыми электромагнитными полями. Это взаимодействие в принципе неустранимо и приводит к спонтанным переходам. Естественные контуры линий каждого отдельного атома и их совокупности совпадают. По этой же причине к однородному относится уширение линий, связанное со столкновениями между частицами. В результате столкновений уменьшается время жизни в возбужденном состоянии каждого атома. Поэтому возбужденный уровень расширяется, что отражается на ширине линий.

Допплеровское уширение линий служит типичным примером неоднородного уширения. Как в случае свободных атомов, так и в случае экситонов движение частиц относительно регистрирующего прибора приводит к смещению линии излучения каждой частицы в отдельности. Величина смещения атомных линий определяется скоростью движения атомов, экситонных линий — кинетической энергией экситонов (см. (8.3) и (8.5)). В результате максвелловского распределения частиц по скоростям вместо узких линий, характеризующих излучение

Рис. 75. Образование провала («прожигание дырки») в контуре неоднородно уширенной линии поглощения при возбуждении светом с частотой

одной частицы, прибор регистрирует более широкие симметричные (атомы) или асимметричные (экситоны) линии излучения совокупности частиц.

К неоднородно уширенным относятся также линии, возникающие в результате оптических переходов частиц, распределенных по подуровням широких сплошных энергетических полос или зон. Полосы поглощения и люминесценции сложных молекул и полупроводников следует считать неоднородно уширенными. Они получаются в результате наложения и слияния большого числа линий, характеризующих переходы отдельных частиц с заданными значениями энергии.

Неоднородное уширение линий и полос становится заметным только в том случае, если средний разброс линий отдельных частиц больше, чем однородная ширина линии каждой частицы в отдельности. Путем изменения условий эксперимента можно иногда осуществить плавный переход от одного типа уширения к другому.

Внешнее возбуждение, если оно приводит только к перераспределению частиц по энергетическим уровням, не может изменить контура однородно уширенных линий Если число поглощающих частиц уменьшается вследствие перевода частиц в возбужденное состояние, то линия поглощения уменьшается вся в целом, а ее контур остается неизменным.

Для неоднородно уширенной линии ситуация будет, значительно сложнее. Если ширина линии возбуждающего света меньше неоднородной ширины линии поглощения вещества то накачка будет оказывать селективное действие на частицы. Поглощать свет и переходить в возбужденное состояние будут в основном частицы, настроенные в резонанс со световыми колебаниями. В спектре поглощения может образоваться провал (рис. 75).

Возможность образования провала и его глубина определяются соотношением скоростей процессов, которые уменьшают долю частиц, способных поглощать частоту и восстанавливают исходный контур линии поглощения.

При неоднородном уширении за счет эффекта Допплера заполнение провала происходит в результате столкновений между частицами, приводящих к изменению их скоростей и положений линий поглощения в спектре. Индивидуальные линии поглощения частиц, входящие в состав неоднородно уширенной линии, как бы перемешиваются в пределах общего контура поглощения. Скорость перемешивания может быть настолько большой, что провала в спектре не будет, а интенсивность линии поглощения будет уменьшаться без деформации ее контура.

В спектре поглощения полупроводников также возможно «прожигание дырок», если скорость накачки превысит или сравнится со скоростями релаксационных процессов. Тогда распределение электронов и дырок в зонах будет значительно отличаться от распределения Ферми — Дирака. Лазерная спектроскопия вплотную подошла сейчас к решению вопроса о характере неравновесного распределения носителей в зонах в подобных случаях. Однако специфика полупроводников заключается в том, что даже если провалы в спектре отсутствуют, контур полосы поглощения в целом при интенсивном возбуждении должен деформироваться и может заходить в область отрицательных значений к. Рассмотрим эти процессы более подробно.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление