Взаємодія світла з твердим тілом зводиться до взаємодії із збереженням енергії кванта світла або з перетворенням енергії кванта в інші види енергії. До першого типу взаємодії відноситься пропускання, відбивання та розсіяння світла. В результаті взаємодії другого типу енергія фотона передається твердому тілу, внаслідок якого можуть утворюватись різні квазічастинки (фонони, екситони, інші фотони) або поглинається твердим тілом, що призводить до генерації вільних електронів, дірок електронно-діркових пар або фотоемісії. Інтенсивність світла – це кількість енергії, яка падає на одиницю площадки за одиницю часу. Якщо інтенсивність падаючого світла , а відбитого , то коефіцієнтом відбивання називається величина .

Залежності , або називаються спектрами відбивання. Світло, потрапляючи в тверде тіло, змінює свою інтенсивність за законом Бугера – Ламбарта:

, (1)

де – інтенсивність світла при проходженні шару речовини товщиною x, – інтенсивність падаючого світла, – коефіцієнт поглинання, який є оберненою величиною до такої товщині шару поглинання, при проходженні через який інтенсивність світла зменшується в е разів. З врахуванням відбивання цей закон набуває вигляду:

. (2)

Ефективна довжина вільного пробігу фотона . За аналогією із середньою довжиною вільного пробігу молекули, середню довжину вільного пробігу фотона можна представити у вигляді:

, (3)

де ефективний переріз поглинаючого центра, N – кількість поглинальних центрів. Тоді

. (4)

Якщо у твердому тілі є n сортів поглинальних центрів, то

. (5)

Насправді при проходженні через речовину світло зазнає багаторазового поглинання та відбивання. Схема такого процесу представлена на рис. 1. Таким чином, на виході ми будимо мати нескінченну кількість пучків, інтенсивність яких буде зменшуватись за законом геометричної прогресії. Тоді результуючу інтенсивність світла при проходженні шару товщиною х можна записати так:

. (6)

Крім коефіцієнтів відбивання та поглинання вводять поняття коефіцієнта пропускання

. (7)

Якщо , то згідно з (7),

. (8)

Рис. 1. Схема проходження світла через шар речовини товщиною x

Для знаходження коефіцієнтів поглинання, відбивання використовують метод двох пластинок різної товщини x₁ та x₂. Записуючи вираз (8) для даних пластинок,

, ,

та враховуючи експериментальні значення коефіцієнтів пропускання T₁ та T₂, можна обчислити коефіцієнти поглинання та відбивання.

Існують такі механізми поглинання світла:

1. Власне або фундаментальне поглинання. В чистому напівпровіднику поглинання світла пов’язане з переходом електронів із валентної зони в зону провідності (рис. 2). Червона межа смуги поглинання визначається найменшою енергією, яка є необхідною для такого переходу. При збільшенні енергії кванта світла буде зростати ймовірність переходу із більш глибоких рівнів валентної зони на більш високо розміщені за шкалою енергії енергетичні рівні зони провідності. Сукупність всіх можливих переходів дасть смугу фундаментального (власного) поглинання.

Рис.2. Умовна схема власного поглинання світла

На перший погляд здавалося б, що область фоточутливості могла поширюватись на всю смугу поглинання. В дійсності це не так. Власне або фундаментальне поглинання, яке називають просто внутрішнім фотоефектом (фотопровідністю) спостерігається лише при поглинанні світла поблизу червоної межі смуги поглинання. Це пояснюється тим що при енергіях квантів коефіцієнт поглинання стає дуже великим і практично все світло поглинатиметься в приповерхневому шарі.

Зробимо оцінку ефективної довжини вільного пробігу фотона та коефіцієнта поглинання для випадку фундаментального поглинання. Число поглинаючих центрів рівне приблизно числу атомів основної речовини, тобто . Ефективний переріз поглинаючого центру . Тоді, згідно з (3) та (4), , а . Отже, світло повністю поглинається при переважаючій дії даного механізму товщиною шару 10 – 100 нм.

2. Домішкове поглинання світла. Даний вид поглинання світла зумовлений повною іонізацією домішкових атомів з утворення вільного електрона або дірки або збудженням домішкового атома, що може бути іонізованим за рахунок теплового руху (поглинання фонона) або поглинання ще одного кванта світла (рис. 3).

Рис. 3. Домішкове поглинання світла для випадку донорного рівня.

Також перехід домішкового атому із збудженого стану в основний може супроводжуватись випромінюванням світла. Таким чином, спектр домішкового поглинання складається з одної широкої лінії, яка відповідає повній іонізації домішкових атомів, і серії вузьких ліній, які відповідають збудженню домішкового атома, який також може бути іонізованим або випромінити квант світла при переході в нормальний стан. Переходи 1, 2, 3 зумовлені іонізацією домішкових рівнів. Перехід 4 також відбувається за рахунок іонізацією домішкового атома, який попередньо був переведений у збуджений стан. У разі домішкового поглинання типу 5 відбувається збудження домішкового атома, який при переході в основний стан може випромінити квант світла. Аналогічну діаграму можна зобразити і для випадку акцепторного рівня. Спектральний розподіл коефіцієнта поглинання для випадку фундаментального та домішкового поглинання можна представити у вигляді (рис. 4).

Рис. 4. Спектральний розподіл коефіцієнта полинання: 1 – смуга фундаментального поглинання; 2 – смуги домішкового поглинання: 2 а – поглинання, обумовлене іонізацією домішкового атома, 2 б, в, г – поглинання із збудженням домішкового атома.

Аналогічна оцінка ефективної довжини вільного пробігу фотона та коефіцієнта поглинання для випадку домішкового поглинання показує, що для концентрації домішкових атомів см, а см^-1.

3. Екситонне поглинання. Даний вид поглинання пов’язаний з переходом основного атома речовин в збуджений стан, при якому електрон не відривається від атома, тобто питома електропровідність не збільшується. Такий збуджений стан дістав назву екситона. Відмінність екситонного стану від збудженого стану домішкового атома полягає в тому, що енергія кристалу не залежить від того, який з атомів є збудженим. Тому таке збудження може вільно мігрувати по кристалу. Екситон являє собою зв’язану кулонівськими силами пару електрона і дірки, яка може обертатися навколо спільного центрі мас і рухатись поступально по всьому кристалу. Для утворення екситона необхідна менша енергія, ніж на іонізацію атома, тому екситонні лінії знаходяться в спектрі поглинання справа від основної смуги, тобто в області менших частот. Енергія зв'язку екситона є малою, тому їх можна спостерігати при низьких температурах. При великих інтенсивностях світла можливе утворення екситонних молекул.

4. Поглинання світла вільними електронами. В сильно легованих напівпровідниках виникає додаткове поглинання світла вільними електронами. Електрон, який здійснює вимушені коливання під дією електричного поля світлової хвилі, в твердому тілі зазнає зіткнень з іншими атомами. Якщо частота таких зіткнень буде більшою за частоту електромагнітних коливань, то значна частина енергії буде переходити в тепло. Оскільки квазіімпульс фотона є дуже малий в порівнянні з квазіімпульсом електрона, то поглинання світла вільними носіями можливе при участі третьої частини, роль якої виконує фонон, тобто тепло, яке виділяється при коливаннях атомів.

5. Поглинання світла оптичними коливаннями гратки. В складних кристалах, в яких елементарна комірка містить декілька атомів, поряд з акустичними коливаннями мають місце і оптичні. При оптичних коливаннях сусідніх атомів відбувається зміна дипольного моменту, що призводить до випромінювання кванта світла. Якщо світло такої самої частоти падає на кристал, то воно буде збуджувати такі коливання і поглинатиметься. При цьому в інфрачервоній області спектра спостерігатиметься ряд ліній, які по своєму виду аналогічні домішковому поглинанню.

Для кількісної характеристики поглинання світла вводять величину, яка називається квантовим виходом – це число електронно-діркових пар, які створює один фотон.

, (9)

де квантовий вихід, число електронно-діркових пар, число поглинутих квантів світла.

Поглинання світла вільними електронами, оптичними коливаннями гратки або за рахунок утворення екситона зменшує величину квантового виходу.