Фотопроводимость полупроводников. Люминесценция твёрдых тел.
1. Фотопроводимость — это явление увеличения электрической проводимости полупроводника под действием электромагнитного излучения (света).
Механизм
Фотопроводимость основана на внутреннем фотоэффекте и связана с генерацией носителей заряда:
Когда фотон падает на полупроводник, он передаёт свою энергию электрону.
Генерация пары: Если энергия фотона (
)
больше или равна ширине запрещённой
зоны (
),
электрон переходит из валентной зоны
в зону проводимости.
Увеличение проводимости: Этот переход создаёт свободный электрон в зоне проводимости и дырку в валентной зоне (электронно-дырочная пара). Оба носителя являются подвижными и увеличивают концентрацию свободных зарядов в полупроводнике.
Фототок: Увеличение концентрации свободных носителей приводит к резкому уменьшению электрического сопротивления (увеличению проводимости), что при наличии внешнего поля создаёт дополнительный ток (фототок).
Собственная фотопроводимость: Фотоны вызывают переходы электронов непосредственно через всю запрещённую зону (из ВЗ в ЗП).
Примесная фотопроводимость:
Фотоны вызывают переходы между примесными
уровнями (донорными/акцепторными) и
ближайшей зоной. Для этого требуется
меньшая энергия фотона (
).
Фотопроводимость используется в фоторезисторах (фотосопротивлениях), где сопротивление регулируется интенсивностью света.
2. Люминесценция Твёрдых Тел
Люминесценция — это неравновесное, некогерентное свечение вещества (холодное свечение), возникающее в результате перехода атомов или электронов из возбуждённого состояния в основное.
Механизм Люминесценции
Люминесценция является обратным процессом по отношению к возбуждению (поглощению энергии). Это излучательная рекомбинация возбуждённых электронов.
Возбуждение: Атом или кристалл поглощает энергию из внешнего источника (свет, электрический ток, радиация и др.). В полупроводниках это приводит к переходу электронов на более высокие энергетические уровни (в зону проводимости или на возбуждённые локальные уровни).
Релаксация: Возбуждённый электрон проводит некоторое время в возбуждённом состоянии, теряя часть энергии на тепловые колебания (безызлучательная релаксация) и опускаясь на более низкие, но всё ещё возбуждённые, уровни.
Излучение: Электрон возвращается на свой основной энергетический уровень (или в валентную зону), при этом избыток энергии излучается в виде фотона (кванта света).
Виды Люминесценции (по способу возбуждения)
Вид |
Источник возбуждения |
Пример |
Фотолюминесценция |
Свет (УФ, видимый) |
Флуоресцентные лампы, светящиеся краски. |
Электролюминесценция |
Электрический ток или поле |
Светодиоды (LED), экраны OLED. |
Катодолюминесценция |
Электронная бомбардировка |
Экраны старых телевизоров (ЭЛТ). |
Хемилюминесценция |
Химическая реакция |
Свечение в химических "светлячках". |
Люминесценция в Полупроводниках
В полупроводниках люминесценция часто является рекомбинационной и происходит при возвращении электронов:
Межзонная рекомбинация: Электрон из зоны проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. (Основа работы полупроводниковых лазеров).
Рекомбинация через примесные центры: Электрон из зоны проводимости или дырка из валентной зоны рекомбинируют через локализованный примесный или дефектный уровень (центр свечения).
Электролюминесценция в - -переходах — основа работы светодиодов (LED) и полупроводниковых лазеров.