4. Рекомбінаційне випромінювання при переходах між зоною і домішковими рівнями

У домішкових напівпровідниках, у яких в якості домішки можуть виступати не тільки донори та акцептори, а й різного роду дефекти, порушення кристалічної періодичності на поверхні напівпровідника, надстехіометричний надлишок одного з компонентів у разі складного напівпровідникового матеріалу, важливу роль в процесах люмінесценції відіграють центри, енергетичні рівні яких потрапляють в заборонену зону напівпровідника. У таких випадках люмінесценція йде переважно через центри рекомбінації. Центри електронно-діркової рекомбінації характеризуються ефективними перерізами захоплення електронів і дірок . Пастки і донорні домішки мають велику ймовірність захоплення електронів із зони провідності, проте перехід електронів з цих центрів у валентну зону практично неможливий, так як . Якщо центр не має електрона, то це - електронна пастка, а якщо центр має електрон, то центр є донором.

Переходи при нейтралізації іонізованних донорів і акцепторів (рис. 12.10) в принципі можуть бути випромінювальними і дають світіння в далекій інфрачервоній області спектра. Однак, як показали розрахунки, ймовірність переходів з випусканням фононів значно більше, ніж ймовірність випромінювальних переходів. Наприклад, для германію n-типу при 4 K перетин захоплення для переходів з випусканням фонона рівне приблизно , а перетин захоплення при переході з випромінюванням фотона становить . Процес безвипромінювальної рекомбінації відбувається наступним чином. Спочатку електрон зони провідності захоплюється на збуджений рівень донора. Потім він здійснює каскадні переходи на енергетичні рівні які знаходяться нижче, випускаючи фонон при кожному переході.

1. Перехід «зона – рівень домішки»

У напівпровідників n- і p-типу, як випливає з рис. 12.11, можливі випромінювальні переходи з донорного рівня в валентну зону або із зони провідності на акцепторний рівень. Такі центри відрізняються від пасток лише дещо більшою глибиною залягання рівнів і тим, що захоплення дірки з валентної зони хоча і менш вірогідне в порівнянні з захопленням електрона із зони провідності, але все ж таки має помітну величину ( ). Згідно рис. (12.11, а) після процесу поглинання (перехід 1) спочатку відбувається захоплення електрона із зони провідності центром (перехід 2), а потім здійснюється випромінювальна рекомбінація локалізованого електрона і дірки валентної зони (перехід 3).

В іншій моделі люмінесценції (рис. 12.11, б) локалізований рівень розташований трохи вище валентної зони і має велику ймовірність захоплення дірки ( ), але разом з тим має і помітну ймовірність захоплення електронів зони провідності.

Люмінесцентне випромінювання виникає при рекомбінації вільного електрона зони провідності з захопленої цим рівнем діркою (перехід 3).

При прямих переходах випромінюється фотон з енергією:

, ( 12.7 )

а при непрямих переходах енергія випроміненого фотона дорівнює:

, (12.8 )

де – енергія іонізації домішкового атома; – енергія фонона, що приймає участь в рекомбінації.

Такого типу випромінювальна рекомбінація можлива тільки для напівпровідників з відносно низькою концентрацією домішок. Збільшення концентрації донорів (або акцепторів ) викличе розмиття енергетичного рівня домішки і перетворення його в домішкову зону, яка буде стикатися з краями основної зони. Наприклад, на рис. (12.12) наведено спектр катодолюмінесценції арсеніду галію, легованого цинком. З рисунка випливає, що при зростанні концентрації акцепторів (показано цифрами у кривих) має місце розширення смуги випромінювання, що викликане звуженням забороненої зони, обумовленим високим рівнем легування.

У напівпровідників з непрямою забороненою зоною при малих концентраціях донорів у переходах « донор – валентна зона », а також у переходах «зона провідності – акцептор » повинен приймати участь фонон. На рис. (12.13) наведені спектри випромінювання для зразків кремнію, легованих різними домішками. У рекомбінаційних переходах бере участь поперечний акустичний фонон TA з енергією і поперечний оптичний фонон ТО з енергією , які забезпечують збереження квазіімпульса носія заряду. На рисунку довга вертикальна риска відповідає енергії (ТО), коротка – енергії (ТА). Значення енергій іонізації для домішок (в електрон - вольтах ) складають: ; ; і . У зразка, легованого індієм, в низькоенергетичній частині спектру спостерігаються безфононні переходи.