2. Непрямі переходи «зона провідності - валентна зона»

У напівпровіднику з непрямою забороненою зоною поглинання світла відбувається з поглинанням або випромінюванням фонона. У такому напівпровіднику при рекомбінації вільного електрона і вільної дірки повинні також брати участь фонони, які забезпечують збереження квазіімпульсу (рис. 12.4). Найбільш ймовірним процесом є емісія фонона. Процес поглинання фонона в порівнянні з випромінюванням фонона несуттєвий, оскільки його ймовірність у разів менше ймовірності випромінювання фонона. Оптичний перехід, який супроводжується випусканням фонона, має меншу енергію, ніж ширина забороненої зони, яка рівна . У такому випадку за аналогією з коефіцієнт поглинання спектр випромінювання описується виразом

, (12.2)

де - енергія фонона, що бере участь в рекомбінації.

Якщо у напівпровідника можливі прямі і непрямі переходи, то в спектрі його випромінювання спостерігаються дві смуги люмінесценції, як, наприклад, в германии (рис. ; 12.5 ). Довгохвильова смуга випромінювання визначається непрямою випромінювальною рекомбінацією. Короткохвильова смуга люмінесценції зумовлена ​​переходами електронів з випромінюванням з прямої долини, яка розташована на 0,15 еВ вище дна найнижчої долини. Крива 2 на цьому рисунку – експериментальна, а крива 1 отримана з кривої 2 шляхом введення поправки на поглинання у зразку.

3. Сильно легований нп

У сильно легованого напівпровідника рівень Фермі лежить всередині дозволеної зони (у зоні провідності для n-типу і в валентній зоні для p-типу). На рис. 12.6 наведена енергетична діаграма напівпровідника, в якому за рахунок збудження створена концентрація електронів у зоні провідності.

Для напівпровідника з прямою забороненою зоною для прямих переходів інтенсивність випромінювання із збільшенням частоти повинна змінитись як

. (12.3 )

У разі непрямих переходів, при яких закон збереження квазіімпульсу відбувається за рахунок процесів електронно-електронного розсіювання або розсіювання «електрон - домішка», всі заняті стани в зоні провідності можуть давати початок випромінювальним переходам в усі порожні стани валентної зони. У цьому випадку одній і тієї ж енергії можуть відповідати переходи між різними верхніми і нижніми станами, тому спектр випромінювання описується виразом

. ( 12.4)

4. Екситонна рекомбінація

У досить чистому напівпровіднику при збудженні світлом, енергія якого близька до ширини забороненої зони, можливе виникнення екситону - вільного електрона і вільної дірки, пов'язаних силою кулонівського притягання. При рекомбінації таких носіїв заряду, тобто при анігіляції екситону, буде випромінюватися вузька спектральна лінія. У напівпровіднику з прямою забороненою зоною, що має дозволені переходи (рис. 12.7, а ), енергія, екситонного випромінювання дорівнює:

, ( 12.5 )

де - енергія зв'язку екситону.

Екситон може мати збудженні стани, енергія іонізації яких в разів менша, ніж енергія іонізації основного стану, відповідного . Тому випромінювання вільного екситону може складатися з серії вузьких ліній.

У напівпровіднику з непрямою забороненою зоною (рис. 12.7, б), у якого закон збереження квазіімпульсу здійснюється за рахунок випущення оптичного фонона з енергією , енергія випроміненого фотона

. ( 12.6 )

У напівпровідників з прямими дозволеними переходами випромінювання вільного екситону може також відбуватися з випусканням одного або декількох фононів (рис. 12.8 ), але ймовірність таких переходів зменшується і відповідна лінія випромінювання послаблюється.

У присутності домішок можуть утворитися зв'язані екситони. Їх спектр випромінювання складається з вузьких ліній з енергіями, меньшими, ніж при рекомбінації вільного екситону. На рис. (12.9) як приклад наведено спектр фотолюмінесценції досить чистого фосфіду індію. Пік випромінювання позначений цифрою 1, відносять до рекомбінації вільного екситону, а лінії 2, 3, 4 і 5 обумовлені рекомбінацією зв'язаного екситону з випусканням відповідно 0, 1, 2 і 3 поздовжніх оптичних фононів LO, енергія якого становить . Смуги випромінювання і викликані процесами не екситонного характеру.