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

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:

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.

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.