2.11. Тік зоналы және тік зоналы емес шалаөткізгіштер

Люминесценцияның бірінші этабында электрон ауысулары ажыратылуы мүмкін: «зона–зона», «зона – қоспалық деңгей» және қоспа деңгейлері арасындағы ауысулар. Түзу және түзу емес ауысуларға сәйкес келетін зона аралық ауысулар кезінде екі негізгі жағдай орынға ие болады.

Тік және тік емес ауысулар 2.15-суретте көрсетілгендей, электрон энергиясының оның импульсінен тәуелділігімен түсіндіріледі. Рэ электрон импульсі оның mэ массасының қозғалыс жылдамдығының туындысына тең:

2.15.Электрондардың тік ауысуына арналған электрондар энергиясының импульстен тәуелділігі.

2.16.Электрондардың тік емес ауысулары үшін арналған электрондар энергиясының импульстен тәуелділігі.

Тік (тура) ауысу дегеніміз – бұл электронның импульсінің өзгеруінсіз электронның ауысуы болып табылады. Тік емес ауысу (тура емес) электрон импульсінің өзгеруімен болады, ол сәулеленетін немесе жұтылатын фотонның импульсімен компенсацияланады.

Импульстің сақталу заңы бойынша, фотонның сәулелену немесе жұтылуы кезінде мына теңдік орындалуы керек:

Бұл жердегі Рэ1 және Рэ2 - электронның сәйкес бастапқы және соңғы электрондары, kф – фотон импульсі.

Фотон қозғалысының жылдамдығы жарық жылдамдығына тең болғандықтан, онда kф = mфс , бұл жердегі mф фотонның массасы де Бройль қатынасындағы толқын ұзындығымен байланысқан:

Онда фотон импульсі

Бұл жерлегі ЕG – тиым салынған зонаның ені.

ЕG= 1 эВ үшін kф <<Рэ2-ге ие боламыз, және де электрон импульсін тік ауысу кезінде (Рэ1 = Рэ2) деп санауға болады. Ол вертикаль бойынша ЕВ валентті зонаның максимумы мен ЕG өткізгішті зонаның минимумы арасындағы ауысуға сәйкес келеді. Бұл 2.15-суретте көрсетілген.

Сонымен қатар, электрондардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға электрон импульсінің өзгеруімен электрондардың ауысулары болуы мүмкін (Рэ1 тең емес Рэ2) – яғни тік емес ауысулар. Оның үстіне энергияны жұту процесі кезінде фотон мен электроннан өзге 2.16-суретте көрсетілгендей импульстің бөлігін өзіне алатын үшінші бөлшек қатысуы керек. Тік емес ауысулар кезінде импульстердің сақталу заңы мынадай түрге ие:

Бұл жердегі k – үшінші бөлшектің импульсі(мысалы фотонның).

Шалаөткізгішті сәулелендіргіштердің негізгі материалдары (GaAs және оның негізіндегі үштік қосылулар — GaAlAs и GaAsP) тік зоналы шалаөткізгіштерге жатады және де тік оптикалық ауысулар рұқсат берілген «зона–зона» түріне қатысты болады. Заряд тасымалдағыштың әрбір рекомбинациясы мұндай ауысу кезінде фотон сәулеленуімен қорғалады және оның толқын ұзындығы мына қатынаспен анықталады:

Бұл жердегі λ – микрометрмен өлшенсе, ЕG – электрон-вольтпен өлшенеді.

Осылайша, тік ауысулар кезінде импульстің сақталу заңының орындалуы үшінші бөлшектің рекомбинациясының қатысуын қажет етпейді. Осының ізінен тік оптикалық ауысулардың ықтималдығы жоғары, және тік зоналы шалаөткізгіштер эффективті, люминесцентті материалдар болып табылады.

Тік зоналы емес шалаөткізгіштерде (мысалы GaP) өткізгіштік зоналары минимум дегенде импульс осі бойынша араласқан. Кемтігі бар электронның сәулеленетін рекомбинациясы кейбір комплексте ғана жүреді, оған артық импульс және сәкесінше энергияның бөлігі беріліп отырады. Тік емес ауысулар кезіндегі сәулеленудің толқын ұзындығы көбірек болып шығады. Сәулелендіретін рекомбинация екі этаптан өтуі мүмкін: алдымен орталықтағы бір белгінің тасығыштардың локализациясы болады, кейін осы тасығыштың басқа белгінің еркін тасығышымен рекомбинациясы болады. Фосфид-галлидағы сәулелендіретін рекомбинациялардың мұндай орталықтары ретінде мысалы, «донор–акцептор» (Zn+–0–) немесе нейтралды қақпандар (GaP торында N атомы Р атомының орнына) шығады.

Тік зоналы шалаөткізгіштердегі сәулеленудің өздік жұтылуы тік зоналы емеске қарағанда әлдеқайда мықты екндігін айтып өту керек.

Екілік (бинарлы) қосылудан өзге қатты қоспалар (растворы) кеңінен қолданылады. Көбіне үштік қосылулар - GaAlAs, GaAsP, InGaP және т.б. Үштік қосылулардың формулаларының құрылымы кристал торда бір-бірін қандай элементтердің атомы орнын басатының көрсетеді. Тиым салынған зонаның ені және қатты қосылыстардың энергетикалық зоналарының құрылымы қосылыстардағы компоненттердің қатынасынан тәуелді болады.