Почему полупроводник поглощает фотоны ?

[Neuter]

Господа!
Почему в принципе полупроводник поглощет фотоны ?

(понятно, конечно, что есть у полупроводника ширина запрещённой зоны, и, например, собственный полупроводник при поглощении квантов определённых энергий "забрасывает" электроны в зону проводимости. Однако, я не понимаю, почему в принципе это происходит. Да, возможно, при поглощении света сообщается электрону (в валентной зоне) энергия, которую он сбрасывает переходя в зону проводимости , почему переходит в зону проводимости, а не взаимодействует, например, с фононами не выходя из одной зоны в другую ?).

[photon]

Neuter в сообщении #969252 писал(а):

Да, возможно, при поглощении света сообщается электрону (в валентной зоне) энергия, которую он сбрасывает переходя в зону проводимости , почему переходит в зону проводимости, а не взаимодействует, например, с фононами не выходя из одной зоны в другую ?).

Не только так - механизмы поглощения могут быть разные.

[amon]

Neuter в сообщении #969252 писал(а):

почему переходит в зону проводимости, а не взаимодействует, например, с фононами не выходя из одной зоны в другую ?).

На то много причин, вот одна из них. Рассмотрим сохранение энергии-импульса. Импульс фотона с хорошей точностью ноль по сравнению с импульсом электрона (например, тепловым). К стати, почему? Тогда на картинке "энергия $E$ по оси $Y$, импульс $p$ по оси $X$", фотон подбрасывает электрон "вертикально вверх". Электрон при этом должен находиться на параболе $E=\frac{p^2}{2m}$, а вертикально над точкой параболы других точек параболы нет. Это значит, что в таком процессе кроме фотона и электрона должен принять участие кто-то третий, а тогда вероятность такого процесса может оказаться мала. А может и не оказаться, поскольку внутризонные переходы тоже бывают.

[Munin]

amon в сообщении #969303 писал(а):

а вертикально над точкой параболы других точек параболы нет.

Если там нет другой параболы. Например, в некоторых распространённых полупроводниках есть две валентные зоны, соприкасающиеся вершинами: "тяжёлые" и "лёгкие дырки".

[amon]

Munin в сообщении #969539 писал(а):

Если там нет другой параболы.

А тогда и переход возможен, если чем другим не запрещен. Между валентными зонами он может быть запрещен тем, что валентные зоны полностью заполнены. А ТС спрашивал, почему, как правило, рассматривают межзонные переходы, и забывают про внутризонные. Вот я "в плоской, доступной пониманию форме" и ответил как умел ;)

[Munin]

Neuter в сообщении #969252 писал(а):

почему переходит в зону проводимости, а не взаимодействует, например, с фононами не выходя из одной зоны в другую ?).

В общем, в основном ответом на этот вопрос является сохранение энергии и импульса, типа того правила "вертикально вверх" для фотонов, соответствующего дисперсионного закона для фононов, и для электронов (с учётом занятости состояний). Можно чисто геометрически посмотреть, что куда попадает, а что не попадает.

Кроме того, квантовые процессы бывают первого порядка и более высоких порядков, но обычно вероятность спадает по мере роста порядка. Это связано с тем, что каждый новый порядок умножается на ту или иную константу связи, например, электрон-фононную. А константа связи обычно $<1.$

Бывает, когда константа связи $\gtrsim 1.$ Но в таком случае, который называется "режим сильной связи", обычно происходит перестройка самих базисных состояний. Например, электроны и фононы перестают бегать по кристаллу в одиночестве, а начинают образовывать связанные состояния, поляроны или что-то ещё, и "выковырять" электрон из полярона невозможно, именно поляроны становятся свободными квазичастицами, а для них опять оказывается, что константы связи с другими квазичастицами все $<1.$ Это похоже на то, как в физике элементарных частиц кварки слипаются в протоны и нейтроны, и их нельзя рассматривать как отдельные свободные частицы.

-- 27.01.2015 20:42:54 --

amon
Я сильно наврал?

[amon]

Munin в сообщении #969551 писал(а):

Я сильно наврал?

В первом приближении все правильно. Бывают случаи, когда зонная структура хитрая, и валентная зона с зоной проводимости разнесены в $k$-пространстве (минимумы при разных $k$). Насколько я помню молодость, в ФЭЧ такого не бывает. В таком случае (а это - стандартные п/п материалы - германий с кремнием) межзонные и внутризонные переходы равноправны. По этой причине лазера на кремнии ни кто так до сих пор и не сделал, хотя очень старались.

[Munin]

amon в сообщении #969562 писал(а):

Насколько я помню молодость, в ФЭЧ такого не бывает.

LOL

[profrotter]

Тема перемещена из форума «Физика» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»
Причина переноса: перенёс в соответствующий раздел.

[Alex-Yu]

Neuter в сообщении #969252 писал(а):

почему переходит в зону проводимости, а не взаимодействует, например, с фононами не выходя из одной зоны в другую ?

В абсолютно холодном полупроводнике взаимодействие без выхода в другую зону невозможно. Действительно, при взаимодействии со светом электрон должен изменить свое состояние. А все состояния в валентной зоне (только в ней и есть электроны) заняты, принцип Паули такие переходы запрещает.

Конечно, если полупроводник нагрет, то возможность переходов внутри зоны возникает, часть состояний в валентной зоне оказывается свободными (что описывается как наличие дырок). И в зоне проводимости тоже возникают электроны. Но тут все равно получается очень малая вероятность переходов: при взаимодействии (например) единственного электрона в зоне проводимости с фотоном оказывается невозможным удовлетворить ОДНОВРЕМЕННО и закон сохранения энергии, и закон сохранения квазиимпульса. Внутризонные переходы возникают только благодаря дефектности кристалла (что нарушает закон сохранения квазиимпульса) или они становятся возможными лишь с одновременным взаимодействием с колебаниями решетки (фононами). Это намного более слабое поглощение. В принципе и при энергии фотона меньше ширины запрещенной зоны (когда переброс из зоны в зону невозможен) кристалл свет всетаки поглощает, не абсолютно же он прозрачен. Но почти прозрачен.

[Taus]

(Оффтоп)

Alex-Yu в сообщении #970059 писал(а):

Но почти прозрачен.

Не забывайте экситонные "пики", которые как раз при низких температурах наблюдаются.

[Alex-Yu]

Taus в сообщении #970317 писал(а):

Не забывайте экситонные "пики", которые как раз при низких температурах наблюдаются.

Ну это, своего рода, перенормировка запрещенной зоны (не совсем, конечно так, лишь "своего рода", причем в довольно условном смысле). В любом случай не тот уровень исходного вопроса, чтобы упоминать все тонкости. Как бы то ни было, переходы в экситонное состояние (из электрон-дырочного вакуума) это никак не внутризонные переходы. Это межзонные переходы, но перенормированные электрон-дырочным взаимодействием.

[Neuter]

Господа, благодарю за обсуждение вопроса.
В продолжение темы возник вопрос.
Как правило, в книгах по полупроводникам пишут, что полупроводник поглощает фотоны с энергией большей ширины запрещённой зоны.
Т.е. получается, что уровни энергии в зоне проводимости (на дне зоны проводимости) заняты (обычно), и поэтому только фотоны с большей энергией поглощаются.
Что может быть причиной этого (почему дно зоны проводимости занято)?

P.S. если энергия фотона меньше ширины запрещённой зоны, то всё понятно (нет поглощения), а если равна ширине запрещённой зоны?

[Munin]

Никто просто не возится с такими мелочами в книгах по физике. На концах зон плотность состояний уходит в нуль, так что от таких мелочных уточнений не будет никакого толку: что "с большей", что "с большей или равной" - всё едино.

[Degen1103]

(В скобках замечу, что именно полупроводники широко используются для селективных покрытий, которые благодаря высокому коэффициенту поглощения в видимом и низкой степени черноты в ИК обеспечивают гораздо более эффективное фототермическое преобразование, чем, напр, сажа).