Люминесценция полупроводников
Люминесценцией называется электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний.
Для возникновения люминесценции в полупроводнике атомы полупроводника должны быть выведены из состояния термодинамического равновесия, т.е. возбуждены. Они могут быть переведены в возбужденное состояние электрическим полем – электролюминесценция, бомбардировкой полупроводника электронами – катодолюминесценция, освещением – фотолюминесценция. При люминесценции акты поглощения энергии полупроводником и излучения квантов света разделены во времени.
Излучение квантов света из полупроводника может происходить в результате перехода электрона на более низкий энергетический уровень при межзонной рекомбинации или при рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек.
Излучательная рекомбинация носителей заряда может произойти без электромагнитного воздействия, т.е. самопроизвольно. Такая рекомбинация называется спонтанной. Акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.
Переход электрона на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света, произошедший с помощью электромагнитного воздействия, называется вынужденной или стимулированной рекомбинацией.
Индуцированное излучение происходит в том же направлении, что и вызвавшее его излучение, в одной и той же фазе и с одинаковой поляризацией. Индуцированное излучение является когерентным.
На практике наибольшее распространение получила электролюминесценция. На основе этого явления работают излучатели, т.е. приборы, преобразующие электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения. Когерентные – инжекционные лазеры и некогерентные – светоизлучающие диоды.
Специфические требования к излучателям, например, для светоизлучающих диодов – работа в видимом диапазоне 400…700 нм, высокая яркость, определяют требования к полупроводниковым материалам для их изготовления.
Межзонная рекомбинация наиболее вероятна в прямозонных полупроводниках, типичными представителями которых, кроме GaAs, являются InAs, InSb, GaSb, некоторые составы твердых растворов интерметаллов, такие как GaAlAs, GaAsP, InGaAsP, большинство соединений типа А2В6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe), а также ряд других бинарных соединений – PbS, PbSe, PbTe.
Вероятность излучательной рекомбинации, очень низкая в непрямозонных полупроводниках, может резко возрасти при образовании в них рекомбинационных ловушек. В GaP, например, такие ловушки образуются путем легирования кристалла азотом (при этом атом N замещает в решетке атом Р) или одновременно кислородом и цинком (атомы О и Zn замещают атомы P и Ga, соответственно).
Спектральный состав оптического излучения определяется шириной запрещенной зоны в прямозонных полупроводниках и энергетическим уровнем ловушек в непрямозонных.
Фоторезистивный эффект
Фоторезистивный эффект – это изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием оптического излучения и не связанное с его нагреванием.
Для возникновения фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощение оптического излучения с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака.
В результате увеличения концентрации носителей заряда уменьшается сопротивление полупроводника.
Избыточную концентрацию носителей заряда, например, электронов можно определить следующим образом:
,
где R – коэффициент отражения фотонов от полупроводника, 
– показатель поглощения, 
– квантовая эффективность генерации, NФ – количество фотонов, падающих на единичную поверхность в единицу времени, 
– время жизни неравновесных носителей заряда.
ЭДС в полупроводнике
Если на однородный полупроводник воздействовать оптическим излучением, то в его поверхностном слое возникает избыточная концентрация электронов и дырок, которые будут диффундировать в глубину полупроводника.
Коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии дырок. Поэтому при диффузии электроны опережают дырки. Происходит некоторое разделение зарядов – поверхность полупроводника приобретает положительный заряд, а объем заряжается отрицательно. Таким образом, в полупроводнике при его освещении возникает электрическое поле или электродвижущая сила (ЭДС), которую иногда называют ЭДС Дембера.
Напряженность электрического поля можно определить с помощью следующего выражения:
,
где Dn , Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок, grad(p) – градиент концентрации дырок.
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ