В нашем следующем разделе мы рассмотрим процесс взаимодействия лазерного излучения с другими средами, с полупроводниками. Полупроводник по сравнению с металлом гораздо более сложная энергетическая система, потому что вы все знаете, что в полупроводнике существует запрещенная зона, в которой нет электронных уровней и поэтому, соответственно, весь спектр разделяется на две части, спектр заволненных уровней валентной зоны и свободных уровней над поверхностью Ферми, соответственно, в зоне проводимости. В связи с этим возникает соотношение между разными энергиями, гораздо большее соотношение, чем в металле. Какие здесь у нас появляются сравнения энергетических характеристик? Во-первых, так же работает энергия кванта, энергия кванта лазерного излучения. Дальше возникает энергетический параметр ширины запрещенной зоны, который мы обозначим Eg — стандартное обозначение для полупроводников. Затем, полупроводники бывают собственными, в которых нет примесей и легированными, в которых есть примеси либо донорные, когда полупроводник n-типа, либо акцепторными, когда полупроводник р-типа. В микроэлектронике все полупроводники используются легированные, поэтому этот процесс очень важен для практического применения. Ну, и, конечно, весьма важный параметр, особенно для полупроводников, это температура, то есть энергетическая размазка kT, где k – константа Больцмана, которая играет очень серьезную роль при рассмотрении взаимодействия лазерного излучения с полупроводником. И так, в зависимости от сравнительных характеристик этих параметров, полупроводники могут быть реализованы самые разные процессы поглощения. Начнем с процесса, который называется просто полупроводниковым или полупроводниковый механизм поглощения. Он реализуется в случае, если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны и при этом температура мала, это значит, что эти обе величины существенно больше размазки kT. Что в этом случае происходит? Квант света может в этом случае заставить электрон перепрыгнуть через запрещенную зону, таким образом родить электрон дырочную пару. В зоне проводимости появляется электрон, в зоне, соответственно, валентной, возникает свободное место, то есть дырка. И это электрон-дырочная пара, естественно может иметь запас кинетической энергии, если разность между энергией кванта и соответственно, шириной запрещенной зоны, достаточно велика. Эта лишняя часть, лишний запас энергии кинетической, будет так же как в металле, передаваться в тепло за счет электрон-электронного взаимодействия, то есть будет происходить релаксация электрона в зоне проводимости, релаксация дырок в валентной зоне, и эта лишняя энергия будет передана теплу. Однако та часть, которая ушла, энергии на преодоление ширины запрещенной зоны, она в тепло не уходит. То есть это уже серьезное отличие от взаимодействия с металлом, где вся энергия кванта передавалась, в конце концов, теплу. Что же дальше происходит? Дальше происходит несколько процессов, которые называются процессами рекомбинации. Электрон-дырочная пара не может существовать бесконечно, она стремится, так сказать, рекомбинировать, то есть уничтожиться. И есть разные типы рекомбинации. Один из этих типов называется безызлучательной рекомбинацией. То есть электрон и дырка взаимодействуют между собой, аннигилируют и при этом выделяется тепло. Таким образом, вот этот весь процесс приводит к дополнительному нагреву материалу, полупроводника. Однако, вероятность такого процесса не очень велика, она пропорциональна, всего лишь, концентрации первой степени, концентрации, вот этих неравновесных носителей, рожденных квантом света, электрон дырочных пар. Есть другой процесс, когда электрон и дырка схлопываются, рекомбинируют, и при этом испускают квант уже с другой энергией. Этот квант уходит с полупроводника, уносит энергию, и она не уходит в тепло. Такой процесс называется процессом рекомбинацией, простой рекомбинацией. Но вероятность его выше. Она уже пропорциональна второй степени концентрации вот этих неровновесных дырок и электронов. Ну и есть третий процесс, который как бы такой каскадный, последовательный. Энергия схлопывания дырки и электрона, если она велика, рождает другую пару с меньшей энергией. Та пара рождает третью пару. И предположим, третья пара при рекомбинации выдает квант света, который тоже уходит с полупроводника. И вероятность такого процесса пропорционально уже третьей степени. Что делают эти процессы? В конце концов они уменьшают концентрацию электронов и дырок на границах зоны, на дне зоны проводимости и на потолке валентной зоны. А нас это сильно интересует эта концентрация. Сейчас я скажу почему. Интересует, потому что в процессе накопления рождаются электрон-дырочные пары поглощения света, плотность мощности велика, и мы ее можем увеличивать. Скорость рождения, если посчитать, например, для плотности мощности 10^7 Вт/см2, очень большая —10^31 в единицу времени, единицу объема рождается пар, электронных пар. И рекомбинировать они не успевают с такой скоростью, поэтому они накапливаются в зоне проводимости, дырки накапливаются в валентной зоне — то есть в полупроводнике создаются не равновесные свободные носители, ну почти как носители в металле свободные, но там они равновесные, а здесь они создаются светом и они неравновесные. И поэтому они, в общем, обладают такими же свойствами, как свободные электроны в металле, то есть могут поглощать кванты света. Вот они и поглощают квант света. Значит, соответственно, в электронной подсистеме он поднимается вверх по энергии, в дырочной подсистеме, наоборот, опускается вниз. И уже запасенная свободными носителями энергия, за счет релаксации на остальных свободных носителях передается в тепло. То есть происходит постепенная смена механизма из собственного полупроводникового в механизм, который похож на металлический, поэтому он и называется индуцированный металлический механизм поглощения, потому что возникает он не на равновесных носителях, а на индуцированных светом носителях. То есть мы будем наблюдать изменения в процессе нагрева, смена механизма, то есть изменение всех параметров, например, скорости, нагрева и прочее. Но интересно отметить, что увеличение концентрации дырок и электронов, накапливающихся на границе зоны, оказывает влияние еще один процесс, который называется процессом амбиполярной диффузией. Что это такое? Если у нас, где-то там, в каком-то объеме много чего-то, много газа, а здесь вакуум и открыть отверстие, то будет газ перемещаться. Точно так же, если мы наблюдаем поглощение света происходит в очень узкой зоне при поверхности, так называемой области поглощения, которая является величиной обратной коэффициенту поглощения. Вот в этой зоне родились у нас электрон-дырочные пары, их много, а в объеме их нет. То есть к чему это приведет? Это приведет к диффузии, то есть они будут диффундировать в объем. Что такое диффундировать в объем с точки зрения концентрации их в этой области? Концентрация будет уменьшаться. Точно также как за счет рекомбинации, за счет амбиполярной диффузии, эта концентрация тоже уменьшается, ну и это надо учитывать. Каким образом? Процесс, соответственно, поглощения, который характерен для собственного чистого полупроводника, в конце концов, переходит в так называемый процесс индуцированного металлического поглощения и все это приводит к нагреву материала.
