Прямозонные и непрямозонные полупроводники
На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов: зона – зона, зона – примесный уровень и переходы между уровнями примеси. При межзонных переходах возможны два основных случая, соответствующие прямым и непрямым переходам. Наличие прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса (в соответствии с рис. 2.15). Импульс электрона РЭ равен произведению его массы mЭ на скорость движения
. (2.69)
Рис. 2.15. Зависимость энергии электрона от импульса для прямых переходов электронов
Рис. 2.16. Зависимость энергии электрона от импульса для непрямых переходов электронов
Прямой переход – это переход электрона без изменения импульса электрона. Непрямой переход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или поглощаемого фотона.
По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выполняться равенство
, (2.70)
где Рэ1 и Рэ2 – соответственно начальный и конечный импульсы элек трона;
kФ – импульс фотона.
Так как скорость движения фотона равна скорости света, то kФ = mФс, где масса фотона mФ связана с длиной волны соотношением Де-Бройля
. (2.71)
Тогда импульс фотона
, (2.72)
где ЕG – ширина запрещенной зоны.
Для ЕG »1 эВ имеем kФ << РЭ2, т. е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом переходе (РЭ1 » РЭ2), что соответствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны ЕВ и минимумом зоны проводимости ЕG (в соответствии с рис. 2.15).
Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости с изменением импульса электрона (РЭ1 ¹ РЭ2) — непрямые переходы. При этом в процессе поглощения энергии кроме фотона и электрона должна, участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя (в соответствии с рис. 2.16). Закон сохранения импульса при непрямых переходах имеет вид
, (2.73)
где k – импульс третьей частицы (например, фонона).
Основные материалы полупроводниковых излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе – GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т. е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона – зона. Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением
, (2.74)
где l – в микрометрах; ЕG - в электрон-вольтах.
Таким образом, выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для любого электронного перехода, как и соблюдение закона сохранения энергии) при прямых переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полупроводники являются эффективными люминесцентными материалами.
В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлия GaP) минимум зоны проводимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и, соответственно часть энергии. Длина волны излучения при непрямых переходах получается больше. Тем не менее излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а затем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы донор - акцептор (Zn+ – 0-) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в решетке GaP).
Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводниках значительно сильнее, чем в непрямозонных.
Кроме двойных (бинарных) соединений широко используются и твердые растворы – в основном тройные соединения, например GaAlAs, GaAsP, InGaP и др. Структура формул тройных соединений показывает, атомы каких элементов замещают в кристаллической решетке друг друга. Значение ширины запрещенной зоны и структура энергетических зон твердых растворов зависят от соотношения компонентов в растворе.
В таблице 2.3 приведены материалы, которые используются для изготовления полупроводниковых излучателей; дано также значение ширины запрещенной зоны ЕЗ для каждого материала.
Таблица 2.3 – Перспективные материалы для элементной базы оптоэлектроники
Характеристика материала | Легирующая примесь | |||||
Тип материала | Химическая формула | Ширина запрещенной зоны, ЭВ | Показатель преломления | p-типа | n-типа | |
AIIIBV | GaP GaAs GaN InN AlN AlP Ga1-xInxP Ga1-xAsxP AlAs1-xPx Al1-xInxP Ga1-xAlxP GaAlN Ga1-xInxAs1-yPy Ga1-xAlAs1-yPy Al1-xInxAs1-yPy | 2,25 1,43 3,25 2,4 3,8 2,45 1,35-2,25 1,43-2,25 2,16-2,45 1,30-2,45 2,25-2,45 3,25-3,8 0,36-2,25 1,43-2,45 0,36-2,45 | 3,3 3,6 2,1-2,4 2,9 2,0 - 2,9-3,3 3,3-3,6 - - - - 2,9-3,3 2,9-3,2 3,0-32 | Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd Zn, Cd | Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te Se, Te | |
| ZnS CdS ZnSe CdSe ZnTe CdTe Zn1-xCdxS Zn1-xCdxSe ZnSe1-xSx Cd1-xSexS CdTe1-xSx | 3,8 2,9 2,7 1,8 2,3 1,6 2,9-3,8 1,8-2,7 2,7-3,8 1,8-2,9 1,6-2,9 | 2,4 2,5 2,9 2,6 3,6 2,8 2,4-2,5 2,6-2,9 2,4-2,9 2,5-2,6 2,5-2,7 | Cu, P Cu, P - - Cu, Ag, P Li, Sb, P Cu, P - - - Cu, P, Sb | Ai, Br, Cl Al, In, Ga, Br Al, Br, In, Ga Cl, Br, I Al, Cl, Ga Al, Cl, In Al, In, Br, Ga Br, Ga, In, Al Al, Br, Cl Al, Br, Cl Cl, In, I | |
AVIBVI | SiC | 2,8-3,3 | 2,5-2,7 | Al, In | N | |
Другие материалы | Si CuAlS2 GaS ZnSe-GaP ZnS- GaP | 1,1 3,5 3,4 2,25-2,70 2,25-3,80 | 3,5 - - 2,9-3,3 2,4-3,3 | B, Ga, Al | As, P, Sp |
Современные излучатели в основном используют прямые переходы. Выбор ширины запрещенной зоны ЕЗ определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн.
Из выражения (2.75) имеем
(2.75)
Следовательно, для работы в диапазоне видимого излучения (0,38 мкм ¸ 0,78 мкм) необходимы полупроводники с шириной запрещенной зоны (1,5 ¸ 3,0) эВ. Это требование сразу исключает использование германия и кремния и других полупроводников, технология которых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа АIIIВV, их твердым растворам и др.
В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается обычно с помощью электролюминесценции. При электролюминесценции энергия возбуждения потребляется из электрического поля. Различают два вида электролюминесценции:
· инжекционную, которая возникает в p-n – переходе, находящемся под прямым напряжением;
· предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых появляется электрический пробой p-n - перехода.
Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная электролюминесценция.
Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 4270;