1.2.3. 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. п рямой 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 состояния¹.

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 К_о – 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.