Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Ч.3. Развернутый конспект лекций
.pdf
151
EC
9
1 2 3 5 6 8 10
4
11 12
7
E
V
L 2
2
4 6 5 3
1
h
Рис. 15.1
получить люминесценцию во всем видимом, а также ближнем
ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, рис. 15.1.
Основные закономерности излучательной рекомбинации
носителей заряда определяются законами сохранения энергии
и импульса, поэтому энергия квантов люминесценции может
соответствовать разнице энергетических уровней электрона до
и после соответствующего излучательного перехода или отличается от нее на энергию рожденных в процессе рекомбинации
фононов. Показательной в этом плане является экситонная
люминесценция (аннигиляция), которая может быть как бесфононной, когда энергия и импульс экситона полностью передаются фотону, так и многофононной, то есть с одновременным испусканием фононов, рис. 15.1, переход 2. Любопытно,
что при многофононном исчезновении экситонов, в спектрах
излучения непосредственно проявляется кинетическая энергия
экситонов (обычное максвелловское распределение квазичастиц по кинетическим энергиям). Возможна ситуация, когда
вся энергия, выделенная при электронных переходах, преобразуется в тепло (образование фононов), такие переходы называются безызлучательными и условно показаны на рис. 15.1
штриховыми линиями. Точечные дефекты, участвующие в та-
152
, L
отн. ед. Спектр люминесценции
1,0 Спектр поглощения
0,8
0,6
0,4
0,2
1 1,4 1,8 2,2 h, эВ
Рис. 15.2
ких переходах, называются центрами тушения, точечные дефекты, задающие излучательные переходы – центрами свече-
ния. Если в излучательных переходах участвует хотя бы одна
из зон, то соответствующую люминесценцию называют реком-
бинационной. Переход электрона 6 на рис. 15.1 с возбужденно-
го на основной уровень происходит в пределах определенного
точечного центра свечения, и соответствующую люминесценцию называют внутрицентровой.
Важной характеристикой люминесценции является спектр
излучения, который чаще всего изображается в виде кривых
зависимости яркости люминесценции L от энергии квантов h
(или от ). Типичный спектр люминесценции, отражающий
основные электронные переходы показан на рис. 15.1. Он зависит от типа люминофора и структуры точечных дефектов, интенсивности и длины волны возбуждающего излучения, от
температуры образца и ряда других причин, являясь прекрасным датчиком информации.
Согласно правилу Стокса, максимум в спектре люминесценции смещен по отношению к соответствующему максимуму
в спектре поглощения в сторону длинных волн ( с/),
например, рис. 15.2.
Это обстоятельство связано с наличием так называемых
«стоксовых» потерь, так как часть поглощаемой люминофором
энергии рассеивается в кристаллической решетке, переходя в
153
kT
E
T
E L/L0
F 2
ET ZnS:Ag,Co
1 1,0
D A
r0* r0 r 100 200 300 400 T, К
а) б)
Рис. 15.3
0,5
0
C B
тепло. Для понимания механизма «стоксовых» потерь полезно
рассмотреть модель конфигурационных кривых, рис. 15.3.а.
Конфигурационные кривые представляют собой зависимость потенциальной энергии основного 1 и возбужденного 2
уровней иона примеси (расположенных в запрещенной зоне
кристалла) от конфигурационной координаты r. Конфигурационная координата соответствует расстоянию данного иона от
окружающих его ионов решетки, которое меняется при пере-
ходе электрона с основного на возбужденный энергетический
уровень центра. Этим объясняется, что средняя энергия излу-
чаемых фотонов (CD) меньше средней энергии (AB) поглощаемых фотонов.
Температурная зависимость яркости люминесценции (рис.
15.3.б) хорошо описывается формулой (L0 – яркость при T 0
K):
L(T) L0[1 constexp(
которая соответствует следующей зависимости квантового
выхода процесса излучения И (отношение числа испущенных
фотонов к числу созданных за это же время в результате возбуждения носителей заряда или электронно-дырочных пар):
)]1, (15.1)
154
БИ
И
RRR
)exp(1
1
T
kT
E
const
И
, (15.2)
где RИ и RБ – скорости соответственно излучательной и безызлучательной рекомбинации.
В случае рекомбинационной люминесценции причиной возникновения температурного тушения может быть, например,
тепловой заброс электронов из валентной зоны на уровни центров свечения (переход обратный переходу 4 на рис. 15.1).
Этот переход приводит к уменьшению числа рекомбинаций на
этих центрах (переход 3 на рис. 15.1) и, соответственно, к увеличению числа безызлучательных переходов через другие
уровни (внешнее тушение). Возможно и внутреннее тушение,
когда внутри центра свечения электрон после возбуждения
(переход АВ; рис. 15.3.а) может вернуться на основной уровень
не только излучательным путем СD, но и через точку F с последующим этапом FA, при котором происходит уменьшение
энергии электрона вследствие генерации фононов.
При внутрицентровом тушении величина ЕT в формулах
15.1 и 15.2 имеет смысл энергетического расстояния от точки С
до точки F на рис. 15.3, при внешнем тушении обычно представляет собой энергетическое расстояние от уровня центра
свечения до зоны, взаимодействие с которой приводит к тушению.
Послесвечение
Вследствие конечной длительности пребывания системы в
возбужденном состоянии люминесценция не исчезает мгновенно после прекращения возбуждения, а затухает с определенной скоростью, задавая так называемое послесвечение.
Кроме того, энергетическое положение и конфигурация точечных дефектов могут оказаться такими, что свободные носители, захваченные ловушками, сохраняются на них длительное
время (например, переход 11 на рис 15.1). Освобожденные через некоторое время (переход 12) эти носители могут участвовать в излучательной рекомбинации с центрами свечения, что
155
создает послесвечение люминофора (послесвечение экрана
телевизора или дисплея). В зависимости от механизма люминесценции время послесвечения может измеряться в пикосекундах или длиться часами.
Термовысвечивание
Стимулировать процесс освобождения захваченных носителей заряда из ловушек может повышение температуры кристалла. Начинающееся при определенной температуре свечение образца, вызванное рекомбинацией освобожденных носителей, называется термовысвечиванием. Для его появления
всегда необходимо предварительное возбуждение образца
-, -, - излучением и т.п.)
при более низких температурах, способствующих захвату и
сохранению избыточных носителей на ловушках.
Запасание определенной светосуммы, зависящей от уровня
предварительного возбуждения кристалла, лежит в основе
работы термолюминесцентных дозиметров ионизирующего
излучения и разнообразных ячеек памяти. В последнем случае
освобождение ловушек часто проводят светом или электрическим полем. Термовысвечивание природных люминофоров
используют для анализа разнообразных событий в археологии.
Спектральный состав люминесценции (её механизм) может
существенным образом зависеть от уровня и частоты возбуждающего сигнала, что лежит в основе управления различными
процессами или, наоборот, является вредным фактором при
применении люминесцентных приборов.
15.2 Спонтанное и вынужденное излучение. Светодиод.
Твёрдотельные лазеры
Поглощение и спонтанное излучение света кристаллами мы
уже рассматривали ранее. Для получения вынужденного излучения необходима инверсия населенности энергетических
уровней системы. Такая система может работать как усилитель
или при введении положительной обратной связи, как оптиче-
156
Зеркала
E2 Лазерное
излучение
ФВХ h12 Ф
ВЫХ
E
1
Источник Источник
накачки накачки
а) б)
Рис. 15.4
E4
E3
E2
h
E1
Рис. 15.5
ский квантовый генератор (лазер). Вспомните рассмотрение
этой темы в прошлом семестре, которую мы иллюстрировали
рис. 15.4 и закончили изучением принципов работы газового
(HeNe) лазера.
Исторически созданию газового лазера предшествовала разработка твердотельного лазера на рубине (Al2O3) с примесью
(примерно 0,05 %) ионов хрома, замещающих атомы Al и создающих систему энергетических уровней в пределах широкой
(около 6 эВ) запрещенной зоны рубина (Т. Мейман, 1960).
Известный красный цвет рубина вызван наличием сильного
поглощения синего и зеленого
света, который и используется
для накачки среды (рис. 15.5.)
путем перевода электронов с
основного уровня Е1 на возбужденные уровни Е3 и Е4 ионов
хрома, образующие две широкие полосы, рис. 15.5. Примерно
через 108 с эти электроны
безызлучательно падают на метастабильные уровни Е2 (выделяется тепло), на которых они
157
L1 d L2
E
a
h
EC
E
F
E
d
E
V
Рис. 15.6
p n
могут находиться около 10
3
с. Накопление электронов на
уровнях Е2 приводит к созданию инверсии населенности этих
уровней по отношению к уровням Е1. В результате спонтанный
квант с энергией h E2 E1 вызывает вынужденные переходы
электронов с уровней Е2 на уровни Е1 (красный свет с 630
нм). Для получения лазера кристалл рубина изготавливают в
виде цилиндра диаметром около 1 см и длиной 10 см, торцы
которого отшлифованы и служат зеркалами. К.п.д. таких лазеров составляет несколько процентов.
В настоящее время в оптоэлектронике преобладают более
миниатюрные и эффективные полупроводниковые инжекционные лазеры, которые представляют собой модифицированный
вариант светодиодов.
Светодиоды и инжекционные лазеры
Светодиод представляет собой специально подобранный p-
n–переход, включенный в прямом направлении, рис. 15.6.
В таком переходе, из-
за сильной инжекции
электронов в p-область и
дырок в n-область, происходит рекомбинация
носителей заряда, как в
области объемного заряда, так и за ней на расстоянии диффузионных длин
электронов (L1) и дырок
(L2): напомним, что диф-
фузионной длиной называется расстояние, на котором концентрация носителей уменьшается в е раз. Для получения излучения в полупроводник вводят центры свечения, обычно излучающей является одна из сторон p-n–перехода. Большое распространение получили зеленые светодиоды из GaP с примесью
азота и красные GaP:Zn,O, обладающие яркостью 50 –
100кд/м2 и работающие при прямом напряжении 3 – 5 В.
158
Для изготовления инжекционных лазеров в светодиодах
осуществляют мощное впрыскивание электронов и дырок, способное создать инверсию населенности энергетических уровней, а противоположные грани образца приготавливают в виде
зеркал.
Большой вклад в развитие техники инжекционных лазеров
внёс российский лауреат Нобелевской премии Ж.И. Алфёров.
В качестве некогерентных источников света в оптоэлек-
тронике (термин, введенный в 1960-х годах, когда появились
оптроны, в которых для создания надежных гальванических
развязок между электронными цепями, использовались пары:
светодиод-приемник излучения) обычно используют светодиоды, когерентными источниками излучения служат инжекционные лазеры. С твердотельными лазерами мы постоянно сталкиваемся в нашей университетской жизни, это – лазерная указка
преподавателя, лазерный принтер, компакт-диски в компьютере и т. д. Оптрон можно увидеть, открыв крышку управляющей
«мышки» компьютера.
15.3 Оптические системы передачи и отображения
информации
Оптические системы передачи и отображения информации
прочно вошли в жизнь современного общества, а их многообразие служит основой большого количества учебных пособий и
монографий, специально посвященных данной проблеме. Не
останавливаясь на деталях, следует подчеркнуть, что в основе
большинства оптоэлектронных систем передачи, обработки и
отображения информации лежат те физические явления в твердых телах, которые были рассмотрены в этом курсе, а также в
прошлом семестре, когда мы изучали световоды, жидкие кристаллы, интерференцию, дифракцию и поляризацию света,
искусственную анизотропию кристаллов, методы модуляции
электромагнитного излучения, оптические транспаранты и т.д.
159
Вопросы для повторения
1. Дайте определение люминесценции.
2. Опишите основные механизмы люминесценции и вид спек-
тра при люминесценции.
3. Чем внутрицентровая люминесценция отличается от реком-
бинационной?
4. Каково влияние температуры на люминесценцию кристал-
лов?
5. Поясните смысл правила Стокса.
6. Опишите механизм послесвечения кристаллов.
7. Что означает термин «термовысвечивание»?
8. Опишите принципы работы светодиода и инжекционного
лазера.
9. Что представляет собой твердотельный лазер на рубине?
10. Какие явления, эффекты и приборы, работающие на их ос-
нове, объединяет понятие «оптоэлектроника»?
160
Частица
Символ
Электрический заряд
Масса
Спин
Электрон
e
1,610
19
Кл
me 9,110
31
кг
1/2
Протон
p
1,610
19
Кл
mp 1836me
1/2
Нейтрон n 0
mn 1838,5me
1/2
Лекция № 16
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
После того, как мы достаточно подробно рассмотрели поведение электронов в системах, в которых существенным являлось их взаимодействие с другими электронами, с отдельными
атомами и целыми квантовыми коллективами (например – с
ионами кристаллической решетки), обсудим, с какими явлениями мы сталкиваемся на следующем шаге вглубь микромира,
рассмотрим строение ядра атома.
16.1 Состав ядра
Напомним: то, что атом состоит из малого по размерам,
массивного положительно заряженного ядра, окружённого
движущимися вокруг него электронами, первым обнаружил Э.
Резерфорд (1911 г.). Однако, лишь спустя двадцать лет (в 1932
г.) появилась модель, строения ядра, согласно которой в его
состав помимо положительно заряженных частиц – протонов
входят почти такие же по массе, но не имеющие электрического заряда частицы – нейтроны. Некоторые характеристики
электрона, протона и нейтрона приведены ниже в таблице 16.1.
Таблица 16.1
Неожиданным оказалось то, что свободный нейтрон является нестабильной частицей: со временем он распадается, при
этом образуются протон, электрон и ещё одна нейтральная,
обладающая чрезвычайно малой массой частица, получившая
название электронного антинейтрино:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]