2-mavzu: Yarimo’tkazgichlarda kirishmalar mavjudligida yorug’likning yutilishi. Yorug’likning eksitoniy yutilishi. Kirishmaviy yutilish

2-mavzu: Yarimo’tkazgichlarda kirishmalar mavjudligida yorug’likning yutilishi. Yorug’likning eksitoniy yutilishi. Kirishmaviy yutilish.
Yorug’likning eksitoniy yutilishi. Yarimo'tkazgichlarda va dielektriklarda erkin zaryad tashuvchilarni paydo qilmaydigan yorug’likning yutilishi ro’y berishi mumkin. Masalan, toza yarimo’tkazgichlarda juda past temperaturalarda valent zonadagi elektronning qo’zg’algan holatga o’tishi uning o’tkazuvchanlik zonasiga o’tmasidan amalga oshishi mumkin. Bunda qo’zg’algan elektron valent zonadagi kovak bilan bog’langan va spini nolga teng bo’lgan kvazizarrani hosil qiladi. Bu kvazizarrani odatda eksiton (“excitation”) deyiladi. “Eksiton” tushunchasini 1931 yilda I. Frenkel kititgan. Yarimo’tkazgichlarda eksiton 1951 yilda F. Gross tomonidan aniqlangan.
Bu holatda elektron o’zining atomini tark qilmasdan, qo’zg’algan holatga o’tib oladi. Eksiton kristall ichida ko’chib yurishi ham mumkin. Ammo bu ko’chish elektron-kovak juftini harakatlanishi emas, balki kristalldagi atomni qo’zg’algan holatini ko’chishidan iborat bo’ladi. Bunda atomning qo’zg’algan holati bir atomdan ikkinchi atomga uzatiladi. Qo’zg’algan holatda turgan elektron foton yoki fonon bilan ta’sirlashib normal holatga qaytadi va bu jarayonda ajralgan energiya qo’shni atomning elektroniga berilishi tufayli u o’shanday sathga o’tib olishiga olib keladi. Eksiton elektron-kovak juftidan hosil bo’lgani (ya’ni neytral bo’lgani) uchun eksitonning harakatlanishi elektr tokini hosil qilmaydi.

Eksiton vodorod atomiga o’xshaydi va bunda yadro vazifasini musbat kovak bajaradi. Elektron va kovakning ta’sirlashuvini ikki nuqtaviy zaryadlarning kulon kuchi bilan tasirlashuvchi zarralar deb tasavvur qilish mumkin. Bunda elektorn-kovak jufti birgalikda umumiy massa markazi atrofida aylanadi. Shuning uchun eksiton masalasi oddiy vodorodsimon sistemaning masalasiga keltiriladi. Eksiton holatlarining spektri vodorodsimon spektr bilan o’xshash bo’lib, quyidagi munosabatni qanoatlantiradi:

Bunda n=1, 2, …

Yarimo’tkazgich kristalli ichidagi katta radiusli eksiton.
Eslatma: EKSITON – yarim o‘tkazgich yoki dielektrik kristall hajmida ko‘chib yuruvchi, ammo elektr zaryadi va massa ko‘chishiga bog‘liq bo‘lmagan elektronning uyg‘onishiga mos kelgan kvazi zarra.
Yoruglikning kirishmalar tomonidan yutilishi.
Modda sirtiga tushayotgan yorug’likning, umuman aytganda, bir qismi qaytadi, bir qismi yutiladi va yana bir qismi o’tib ketishi mumkin. Bizni yorug’likning moddada yutilayotgan qismi qiziqtiradi.
Yarimo’tkazgichlarda yoruglikning yutilishi undagi kirishma markazlarini ionlanish yoki uyg’onishga olib kelishi mumkin, bunday yutilish — kirishmaviy yutilish deb ataladi. Yarimo’tkazgichga kam konsentratsiyali akseptor va donor aralashmalar kiritilganda uning taqiqlangan zonasida diskret sathlar vujudga keladi. Elektron tomonidan energiyali — kirishma atomining ionlashis energiyasi) fotonning yutilishi:

a) donor aralashma atomi neytral bo’lganida elektronning kirishma sathidan o’tkazuvchanlik zonasiga o’tishiga;
b) valent zonadagi elektronning akseptor kirishma sathiga o’tishiga olib keladi.
Bunda yutilgan foton evaziga elektronning kirishma atomidan o’tkazuvchanlik zonasiga yoki valent zonadan kirishma sathiga o’tishi sodir bo’ladi (1-rasm, 2). Bunday yutilish yuz berishi uchun foton energiyasi kirishmaning ionlanish energiyasidan kattaroq bo’lishi zarur: Bu energiya taqiqlangan zona kengligidan kichik , xatto , binobarin, bu yutilish infraqizil sohada yuz berishi mumkin. Zaryad tashuvchilar hosil qilmaydigan kirishmaviy yutilish ham bor.

Yarimo’tkazgichlarda donorlar ham akseptorlar ham mavjud bo’lishi mumkin. Bu holda qisman, ba’zan esa to’la kompensatsiya yuz beradi. Tegishli energiyali fotonlar ta’sirida elektronlar ionlangan akseptorlardan ionlangan donorlarga o’tishi mumkin. Kichik ionlanish energiyasiga ega kirishma atomlarining deyarli barchasi uy haroratida issiqlik harakati oqibatida ionlangan bo’ladi. Shuning uchun bunday kirishmalarning yutish spektrini faqat etarlicha past haroratlarda kuzatish mumkin.