Люминесценция полупроводников
Люминесценцией называют 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) и с помощью других энергетических воздействий.
При люминесценции акты поглощения энергии полупроводником и излучения квантов света разделены во времени (а может быть, и в пространстве) промежуточными процессами, что приводит к относительно длительному существованию свечения полупроводника после прекращения возбуждения.
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 (рис. 15):
1- прямой излучательный переход (ИП) зона-зона;
2- ИП соответствующий рекомбинации электрона в ЗП и дырки в ВЗ через промежуточный акцепторный уровень (рекомбинационные ловушки);
3- ИП через донорный и акцепторный уровни, образованные близко расположенными примесями 2-х типов (рекомбинационные ловушки);
В 1-3 участвуют ЗП и ВЗ, т.о. люминесценция называется рекомбинационной.
4- ИП с возбужденного на основной уровень в пределах примесного центра. Люминесценция называется внутрицентровая;
5- ИП, связанный с рекомбинацией через экситонные состояния[1].
6- внутризонный переход, сопровождающийся слабым свечением;
7- безизлучательные переходы через уровни центров тушения.
Кроме примесей, создающих люминесценцию, существуют уровни примеси, образующие центры тушения. То есть рекомбинация через эти центры не сопровождается излучением;
8 и 9 – переходы при которых энергия возбуждения превращается в тепловую.
Соотношение между числом излучательных и безизлучательных переходов определяется значением внутреннего квантового выхода люминисценции , который является важной характеристикой преобразователя подведенной энергии в излучение. Не все порожденные фотоны могут выйти из устройства в окружающую среду, поэтому источник излучения часто характеризуют внешним квантовым выходом ,
где Ко – коэффициент, учитывающий потери, связанные с отражением и поглощением света.
Внешний энергетический выход люминесценции (КПД) ,
где hv – энергия фотона; qu – энергия электрона, прошедшего разность потенциалов и.
В общем случае при изменении энергетического выхода надо учитывать ширину полосы люминесценции в спектре:
,
где W – потребляемая мощность; Ф – поток излучения;
– спектральная плотность потока излучения.
В зависимости от типа энергии используемой при получении излучения различают два типа люминесценции: предпробойная и инжекционная.
Если оно происходит в результате возбуждения носителями с высокой кинетической энергией, - это предпробойная электролюминесценция. А излучение, вызванное инжектированными носителями из-за контактной разности потенциалов твердых тел, называют инжекционной электролюминесценцией. Говоря об электролюминесценции без указания ее типа, подразумевают предпробойную электролюминесценцию.
Один из механизмов предпробойной электролюминесценции поясняется рис. 7.2, а на примере соединения ZnS : Си. Если к слою ZnS : Си, находящемуся между прозрачным и металлическим электродами, приложить переменное электрическое поле, он начнет светиться. Электроны, вылетевшие из проводника под действием поля, ускоряются локальным полем в контакте сульфида цинка с прозрачным электродом и, сталкиваясь с центрами люминесценции, имеющими вакансии (не локализованными центрами люминесценции), возбуждают их. Электроны, перешедшие в зону проводимости, рекомбинируют с центрами люминесценции Си+, давая излучение. При другом механизме электроны локализованных центров люминесценции возбуждаются, переходя с основного уровня на возбужденные, и излучают при возвращении на основной уровень.
Типичный пример инжекционной электролюминесценции – свечение в р – п -переходе. Механизм поясняется на рис. 16 б. Если р – п -переход находится под напряжением, приложенным в прямом направлении, то дырки из р-области и электроны из п-области движутся навстречу друг другу и рекомбинируют с излучением, попадая в область перехода. Другие примеры инжекционной электролюминесценции: свечение в контакте полупроводник – металл, в который инжектированы носители с энергией, превышающей барьер Шотки, и излучение при туннельном прохождении электронов сквозь тонкую пленку диэлектрика.
Предпробойная электролюминесценция наблюдается, как правило, в полупроводниках с широкой запрещенной зоной.
На основе предпробойной электролюминесценции сначала были созданы приборы для освещения улиц, теперь на этом принципе работают дисплеи.
В связи с тем, что данные методы генерирования излучения отличаются низким КПД, для генерации света с целью передачи информации в настоящее время используются более сложные полупроводниковые структуры, основанные на гомо- и гетеропереходах.
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 608;