Indirect Optical Transitions Induced by Carrier Interaction in Semiconductors

A new type of indirect optical transitions in semiconductors is described. In these transition the conservation laws for energy and quasi‐momentum are satisfied due to interaction with free carriers. These transitions can occur, in “pure” form, in semiconductors in which the extrema of the conduction and valence bands are located at the same point of k‐space. It is found that the cross sections for the absorption and emission of photons having an “energy deficit” depend strongly upon the concentration of free carriers and (in the case of absorption) upon temperature. These dependences lead to the following effects which are, in principle, observable: i) amplification of the absorption of photons having an “energy deficit” due to a heating of carriers and ii) avalanche‐like rise of the absorption coefficient at these photon energies. It is shown that negative temperatures can be established on the basis of this type of indirect transitions, in non‐degenerate semiconductors with extrema lying at the same point of k‐space. Experimental emission‐spectra of Ge are given which are related to the interaction between free carriers. Es wird eine neue Art von indirekten optischen Übergängen in Halbleitern beschrieben. Bei diesen Übergängen werden die Erhaltungssätze für Energie und Quasiimpuls (Wellenvektor) durch Wechselwirkung mit freien Ladungsträgern erfüllt. In “reiner” Form können diese Übergänge in Halbleitern auftreten, in denen die Extrema der erlaubten Bänder im gleichen Punkt des k‐Raumes liegen. Eine Besonderheit ist die starke Abhängigkeit der Absorptions‐ und Emissionsquerschnitte (für Photonen mit einem “Energie‐Defizit”) von der Trägerkonzentration und (im Fall der Absorption) von der Temperatur. Diese Abhängigkeiten führen zu folgenden, prinzipiell beobachtbaren Effekten: 1) Ver‐stärkung der Absorption von Photonen mit einem “Energie‐Defizit” durch Aufheizen der Stromträger, und 2) lawinenartiges Anwachsen des Absorptionskoeffizienten bei diesen Photonenenergien. Es wird gezeigt, daß sich in nicht‐entarteten Halbleitern mit Extrema im gleichen Punkt des k‐Raumes im Bereich dieser Übergänge negative Temperaturen erzeugen lassen. Es wird über experimentelle Untersuchungen von strahlenden Übergangen in Ge berichtet, die mit der Wechselwirkung von Stromträgern verknüpft sind.