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, N_Ф – 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 D_n , D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок, grad(p) – градиент концентрации дырок.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ