Если энергия фотонов падающего излучения настолько мала, что они не могут перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, то под воздействием излучения электроны могут совершать переходы внутри разрешенных зон, Это отразится на спектре поглощения в длинноволновой области непосредственно за краем основной полосы поглощения полупроводника. Данный вид поглощения, получивший название поглощения свободными носителями, проявляется тем сильнее, чем выше концентрация ионизированных примесей и, следовательно, свободных носителей заряда в полупроводниках, а также чем больше количество свободных носителей, инжектированных в полупроводник под действием света или электрического тока.

Изучение спектров поглощения длинноволнового излучения в полупроводниках привело, как уже указывалось, к обнаружению еще нескольких видов поглощения: на колебаниях решетки; примесного; экситонного, связанного с возбуждением пары электрон — дырка, однако не влияющего на концентрацию свободных носителей заряда, в силу того что по кристаллу в этом случае движется возбужденное состояние, а не отдельно электрон и дырка.

Спектры поглощения дают обширную и полезную информацию о структурных особенностях кристалла, о степени его легирования, позволяют определить энергию активации примесей и, следовательно, положение занимаемых ими в запрещенной зоне энергетических уровней. C помощью спектров поглощения удается исследовать даже столь тонкий эффект, как присутствие в кремнии растворенного кислорода (благодаря характерной для него полосе поглощения при 9 мкм), и определить концентрацию кислорода в кремнии.

Коэффициент отражения полупроводников в области основной полосы поглощения практически не зависит от степени легирования примесями, ионизирующимися при комнатной температуре, однако в длинноволновой области спектра наблюдается резкий рост коэффициента отражения с увеличением количества таких примесей и, следовательно, концентрации свободных носителей в полупроводнике, что позволяет получить из результатов оптических измерений дополнительную информацию об электрофизических характеристиках полупроводника.

Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, легированного сурьмой, мышьяком и фосфором, с концентрацией свободных носителей заряда (электронов) от 7,4x1018 до 1,67x102° см– 3, и арсенида галлия, легированного цинком, с концентрацией свободных носителей заряда (дырок) от 1,7x1019 до 1,5x1020 cм– 1, представлены на рис. 2.2, где хорошо видны положение минимума на спектральных кривых отражения от поверхности кремния и арсенида галлия и зависимость длины волны минимального отражения от концентрации свободных носителей.

Рис. 2.2. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, легированного фосфором (а), и арсенида галлия, легированного цинком (б), при различной концентрации свободных носителей заряда — электронов (а) и дырок (б)

1–1,67 x 1020 см– 3;

2–1,02 x 1020;

3–4,38 x 1019;

4–2,05 x 1019;

5–1,27 x 1019;

6–7,4 x 1018;

7–1,5 x 1020;

8–3,2 x 1019;

9–1,7 x 1019 см– 3

Рис. 2.3. Зависимости концентрации свободных носителей заряда от длины волны плазменного минимума спектрального отражения

1 — для p-Si; 2 — для n-Si; точки — эксперимент

Поглощение света свободными носителями увеличивается с ростом длины волны, а повышение k приводит к возрастанию коэффициента отражения. Таким образом, спектральная зависимость коэффициента отражения легированных полупроводников должна проходить через минимум, что и наблюдается в эксперименте (см, рис. 2.2). Поляризуемость ?c полупроводникового вещества пропорциональна произведению N?2. G увеличением концентрации свободных носителей N то же значение поляризуемости (в частности, |?c|, при котором n?1) может достигаться при меньших ?. Именно поэтому при повышении концентрации носителей спектральное положение rmin сдвигается в коротковолновую область, причем значение rmin при этом уменьшается, поскольку падает k.

Эта особенность спектров отражения легированных полупроводников в инфракрасной области может быть положена в основу простого оптического метода определения концентрации носителей N из спектров отражения. Экспериментальные зависимости спектрального положения длины волны минимума отражения для электронного сильнолегированного кремния n– типа (?n– s1) и дырочного p-типа (?p– s1) от концентрации носителей представлена на рис. 2.3. При этом концентрация носителей в эталонных образцах определялась по измерению слоевого сопротивления четырехзондовым методом с использованием известных эталонных кривых, связывающих удельное сопротивление р- и n– кремния с концентрацией свободных носителей. Недостатком данного метода является сравнительно невысокая точность установления спектрального положения длины волны минимума отражения для слаболегированных полупроводников.