Описание излучательных процессов в полупроводниках

Термин «эмиссия излучения» означает испускание света, например, твер­дым телом в результате какого-либо воздействия. Излучение, связанное с ре­комбинацией электронов и дырок в полупроводниках, известно с начала ХХ века. По своей физической сущности излучательная рекомбинация представля­ет собой процесс, обратный процессу фотовозбуждения, подробно рассмотрен­ному в главе 3 данного учебного пособия. В простейшем случае эмиссия излу­чения возникает, когда электроны из зоны проводимости рекомбинируют с дырками, находящимися в валентной зоне. При этом рекомбинация может со­провождаться излучением высвобождающегося избытка энергии в виде кванта света (фотона), когда атом «выстреливает» частичку света, либо кванта тепла (фонона), передаваемого кристаллической решетке. В последнем случае реком­бинация заканчивается «вздрагиванием» атома, на валентную оболочку которо­го сел электрон из зоны проводимости. Излучение фотона создает эмиссию из­лучения из полупроводника.

Аналогично может происходить из­лучательная рекомбинация через примес­ные уровни. В этом случае энергия эмити-

h_v руемых фотонов будет меньше ширины

—

запрещенной зоны и определяется энерге­тическим положением этого уровня в за­прещенной зоне полупроводника.

Одним из основных условий наблюдения эмиссии излучения является преобладание

Рис.35

Ес ■{/////// Q /V//V0Z0Z

т

ЧЧЧЧЧЧЧ ф ЧЧЧЧЧф^Гф^

процесса рекомбинации свободных носителей заряда над их генерацией (она может происходить за счет поглощения приповерхностными атомами фотонов, испущенных атомами объема полупроводника). Поэтому преобладание реком­бинации над генерацией может иметь место только в случае, если в зонах име­
ются неравновесные носители заряда, т.е. создана неравновесная ситуация. Для того чтобы рекомбинация неравновесных носителей заряда шла преимущест­венно с испусканием фотона, а не фонона, необходимо, чтобы в данном полу­проводнике (или, в общем случае, твердом теле) вероятность излучательной рекомбинации Wj = 1/tj была бы больше вероятности безызлучательной - W_r = 1/т_г (см. рис. 35). Поэтому эффективность испускания светового излучения полупроводником зависит от соотношения времен жизни неравновесных носи­телей, оканчивающихся излучательным tj или безызлучательным т_г переходом электрона в валентную зону.

Для численной оценки эффективности излучательной способности твер­дого тела вводят два параметра. Первый из них называется внутренней кван­товой эффективностью 1 Он определяет число генерируемых фотонов на прорекомбинировавшую пару «электрон-дырка», характеризует способность атомов твердого тела (полупроводника) излучать фотоны при рекомби­нации электронно-дырочных пар и определяется следующим образом:

1 1 — + — Т Tr

j₁ = —^tt— = . 0 < _V< 1.

— + — ^Tr + Т

Данный параметр показывает долю переходов с генерацией оптического излу­чения в общем числе рекомбинационных процессов неравновесных носителей заряда в объеме полупроводника.

Второй параметр, называемый внешней квантовой эффективностью и обозначаемый как %, характеризует долю сгенерированных в объеме полупро­водника фотонов, вышедших из полупроводника через его поверхность. Дейст­вительно, для того чтобы наблюдать эмиссию излучения из полупроводника, необходимо, чтобы сгенерированные фотоны вышли из полупроводника - ведь распространяясь в кристалле на пути к излучающей поверхности фотоны могут быть поглощены другими атомами, находящимися в основном энергетическом состоянии. Физически этот процесс поглощения происходит так, как это описа­
но в главе 3, по закону Бугера-Ламберта, который для данной ситуации будет записан в виде:

L f

I (0)=(1" R)J I (x)exp " JL

V ¹Ф j

0

где интегрирование вызвано необходимостью суммирования интенсивностей от всех атомов с длины кристалла. Здесь I(0) - интенсивность вышедшего из по­лупроводника излучения; I(x) - интенсивность излучения, сгенерированного атомами, находящимися на удалении х от излучающей поверхности в слое толщиной dx; R - коэффициент отражения излучения от границы раздела «полу­проводник - внешняя среда», L - толщина полупроводника в направлении на излучающую поверхность; Jф - длина свободного пробега фотона в полупро­воднике, в которой учтены все возможные механизмы поглощения света, изло­женные в главе 3. Определение внешней квантовой эффективности в упрощен­ной форме таково:

J _ф

£ =—^ . 0 < £ < 1

+ L ^h

Следовательно, условие достижения высокого выхода светового излучения за­ключается в том, чтобы сгенерированные фотоны могли выйти из полупровод­ника, не будучи поглощенными другими атомами на пути от излучающего ато­ма до поверхности. Для этого необходимо, чтобы длина свободного пробега фотона была больше толщины образца: Jф » L.

dx

Способы возбуждения полупроводника. Эмиссия излучения может быть вызвана различными воздействиями на твердое тело. Неравновесные носители заряда можно инжектировать в однородный полупроводник путем оптического возбуждения или бомбардировкой заряженными частицами. Возникающее при этом излучение называется фотолюминесценцией или катодолюминесценци- ей соответственно. Возможно также создание неравновесных носителей за счет ударной ионизации в сильном электрическом поле. Этот способ возбуждения приводит к эмиссии, называемой электролюминесценцией.

Наиболее же эффективный метод создания больших концентраций не­равновесных носителей заряда в полупроводниках заключается в использова­нии p-n-перехода, включенного в прямом направлении. Именно на этом прин­ципе основано действие полупроводниковых лазеров и светодиодов.

Другим видом эмиссии в полупроводниках является тепловое излучение. Этот излучательный процесс имеет место, когда между образцом полупровод­ника и окружающей средой существует разность температур. Тогда полупро­водник будет излучать во всем спектре частот в соответствии со спектром чер­ного тела. В результате установления динамического равновесия поглощения фотонов данной частоты и их излучения полупроводник будет излучать свет. Ввиду конечных размеров образца часть эмитируемого излучения выходит из кристалла и не уравновешивается эквивалентным потоком, входящим в обра­зец, если он не находится в тепловом равновесии с окружающей средой. По­этому свойства полупроводника отличаются от свойств абсолютно черного те­ла, и изменение наблюдаемой излучательной способности определяется изме­нением коэффициента поглощения. Это утверждение справедливо независимо от природы процесса поглощения. Такую люминесценцию называют термо­люминесценцией.

Флюоресценция - это люминесценция, которая происходит только во время действия источника возбуждения неравновесных пар. Фосфоресценция - это люминесценция, которая продолжается после действия возбуждения.

Определение люминесценции в общем случае таково. Люминесценция есть избыток излучения твердого тела над тепловым излучением, если это из­быточное излучение обладает длительностью, значительно превышающей пе­риод испускаемых световых волн. Данное определение отделяет люминесцен­цию от теплового излучения в равновесных условиях и дает право отнести ее к разделу неравновесных явлений. Это определение выделяет люминесценцию из всех других видов неравновесного излучения, таких как отражение и рассеяние света, излучение Вавилова-Черенкова и т.д. В отличие от перечисленных излу­чений, в случае люминесценции акты поглощения и испускания света разделе­ны промежуточными процессами, что и приводит к продолжительному сущест­вованию свечения после прекращения возбуждения.