536 2

te WŁASNOŚCI OP7YC2N£ MATERIAŁÓW 7. równaniu (16.11)

/, - (I - *)*ł₀f "

otrzymujemy

* m (| - 0,04)*f-¹''"•“** «f* *m,|

= 0.91

/,

16.2. Absorpcja światła

Po dyskusji nad absorpcją światła będzie wykorzystana struktura pasu, nów. Jeżeli światło o odpowiednio dużej energii pada na ciało stałe, to cl 'k * ^dcklr° ciała będą absorbowały energię fotonów i wzbudzały się na wyA/ ^^lCg0 energetyczne, o tle (akie poziomy są dostępne. W przypadku i,oh,₍ ^P°^/,0rłł> półprzewodników pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione , ,\ i ^{1>W ,ub} przerwą energetyczną od pustego pasma przewodnictwu (rys. I6.6a)    ‘ ^/lc,(>nc

materiałach elektrony mogły być wzbudzone do wyższych stanów cnere l ' '^ak'^ch padające światło (foton) powinno mieć energię hv. równą lub większy <><j _s ^yc/nych-przerwy energetycznej E_r Przejście elektronu z pasma walencyjnego dT°^k<*^Ci przewodnictwa jest nazywane przejściem międzypasmowym. Najmnieis/ ^PaSma konieczna do międzypasmowego przejścia elektronów. równa szerokości ^Cnerg,a energetycznej, jest nazywana energią progową absorpcji fotonów Ta en ^PrZCrwy izolatorów jest duża. np. dla krzemionki (Si0₂) w stanic szklistym wynosi ok o ^

Pasmo

prrewodnictwa

Pasmo

walencyjne

YS. 16.6. Schematyczne przedstawienie absorpcji światła i wzbudzenia elektronów do wyższych stanów energetycznych: a) przez przejście rnięd/ypasmowc. występujące np. w izolatorach i półprzewodnikach, b) przez przejście wewnątrz pasma, występujące tylko w metalach

Minimalna długość fali światła widzialnego wynosi 0.4 pm, a energia fotonów o takiej długości fali wynosi 3.I cV. Światło widzialne nie jest wobec lego absorbowane przez materiały z przerwą energetyczną większą od 3.1 eV. Takie materiały w stanie czystym są przezroczyste i bezbarwne. Maksymalna długość fali

⁴Vim, t/ialncK° wynosi 0.7 um. «ucm maksymalna tzcrokofe pr/crwy cncr 8ciy_0/r>c upewniającej absorpcję całego spektrom świaitn w»<J/._ialncgo wynosi I .H cv \_1;„er»aly / s«rokoicią pr/erwy cncrgclyc/ncj mniej*/* nu \ ,R cV »ą w»ęc

^n,cPrAcz_roc/ystc.

Krzemionka jest pr/c/.roc/.ysia dla światła widzialnego. gdyż w niej fotony takiego ftwimla nic są absorbowane procesem przejścia międ/ypasmowcgo. ponieważ energia takich fotonów jest mniejsza niż szerokość przerwy energetycznej.

W zakresie nadfioletowym światło ma energię większą niż. 6.2 eV t jest ono absorbowane przez krzemionkę W półprzewodnikach samoistnych (np. Si) przerwa energetyczna jest bliska 1 eV. dlatego absorbują one światło niżej energetyczne , w zakresie światła widzialnego są nieprzezroczyste, natomiast dla fal elektromagnetycznych o energii mniejszej od 1 cV są przezroczyste. W półprzewodnikach zawierających domieszki akceptorowe lub donorowe są absorbowane fotony o znacznie mniejszej energii, gdyż energii wystarczającej już do przeskoku elektronów z pasma walencyjnego do poziomu akceptorowego lub z poziomu donorowego do pasma przewodnictwa. Absorpcja światła może również wystąpić w dielektrykach o szerokiej przerwie energetycznej, jeżeli zawierają one zanieczyszczenia. wprowadzające dodatkowe poziomy do przerwy energetycznej; są one podobne do poziomów akceptorowych i donorowych w półprzewodnikach. Wówczas może wystąpić absorpcja światła o określonej długości fali. związana z przejściem elektronów z lub na te poziomy.

Barwa materiałów przezroczystych jest rezultatem tego. że światło o określonej długości fali jest selektywnie absorbowane. Odbierany kolor jest zatem kombinacją długości fal przechodzących.

W metalach, charakteryzujących się częściowym zapełnieniem pasm elektronowych, absorpcja może być rezultatem międzypasmowego przejścia elektronów oraz przejścia elektronów w obrębie tego samego pasma (rys. 16.6b).

W przypadku przejścia elektronów w zakresie tego samego pasma nie jest potrzebna energia progowa i dlatego w metalach fotony o najniższej energii również są absorbowane. Sprawia to. że metale są nieprzezroczyste, gdyż absorbują fotony o energii z całego spektrum światła. Jedynie bardzo cienkie warstwy metalu o grubości poniżej 0.1 pm przepuszczają światło. W przypadku metali większość (90-95%) z zaabsorbowanego światła jest ponownie emitowana z powierzchni w postaci światła widzialnego o takiej samej długości fali; jest to światło odbite. Pozosiułc 5 — 10% energii jest rozproszone w postaci ciepła.

Absorpcji światła związanej ze zmianą energii elektronów w obrębie pasma może towarzyszyć dodatkowy mechanizm absorpcji, polegający na tym. że światło powoduje drgania atomów, czyli następuje wzbudzenie fononów przez fotony. Taki mechanizm absorpcji występuje również w wielu, ale nie we wszystkich, przejściach międzypasmowych i powoduje wzrost energii cieplnej.

Podsumowując, można stwierdzić, że istnieją różne mechanizmy absorpcji światła, lub bardziej ogólnie promieniowania elektromagnetycznego, powodujące

537