2.2. Люминесценция полупроводников

Люминесценцией называется нетепловое электромагнитное излучение, длительность которого значительно больше периода световых колебаний.

Для получения люминесценции требуется вывести атомы полупроводника из состояния термодинамического равновесия, т.е. перевести в возбужденное состояние. Возбуждение атомов можно осуществить электрическим полем (электролюминесценция), бомбардировкой электронами (катодолюминесценция), освещением (фотолюминесценция), и другими воздействиями. В процессе люминесценции акты поглощения энергии полупроводником и излучения квантов света разделены во времени другими процессами, поэтому свечение полупроводника наблюдается достаточно долго после окончания возбуждения.

Излучение квантов света сопровождается рекомбинацией, т.е. переходом электронов на более низкий уровень энергии либо прямым межзонным переходом, либо через примесные уровни (рекомбинационные ловушки). В последнем случае рекомбинация сопровождается излучением тепловых фононов. Межзонная излучательная рекомбинация может происходить самопроизвольно, т.е. без внешнего электромагнитного воздействия и называется самопроизвольной или спонтанной. Такое излучение имеет статический характер, поэтому некогерентно, т.к. акты излучения происходят независимо друг от друга в случайные моменты времени.

Перевести электроны из возбужденного в основное состояние можно с помощью электромагнитного воздействия. Такая рекомбинация называется вынужденной или стимулированной. Таким образом квант света определенной частоты может не только поглощаться полупроводником, но и вызывать дополнительное индуцированное излучение, которое происходит в том же направлении, что и вызывавшее его излучение, совпадает с ним по фазе и по поляризации, следовательно, является когерентным.

2.3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках

Процесс образования дополнительных свободных носителей заряда в полупроводнике (фотоносителей) под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом.

Внутренний фотоэффект бывает фоторезистивным (фотопроводимости) и фотогальваническим.

Фоторезистивный эффект – это изменение электросопротивления полупроводника под воздействием оптического излучения, но не связанное с его нагреванием. Фоторезистивный эффект возникает в полупроводнике, если происходит либо собственное поглощение фотонов с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака при возбуждении атомов примеси. В результате растет концентрация носителей заряда и уменьшается сопротивление полупроводника.

При облучении полупроводника в нем одновременно происходят процессы генерации неравновесных носителей и их рекомбинация. Через некоторое время после начала облучения устанавливается динамическое равновесие, при котором избыточная концентрация электронов, например, определяется

где:R – коэффициент отражения фотонов; - показатель поглощения; - квантовая эффективность генерации, т.е. отношение числа возникших пар носителей при поглощении ( или числа носителей при примесном поглощении) к числу поглощенных фотонов; N_ф – число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени ( находится как отношение мощности падающего на единичную поверхность излучения к энергии одного фотона );- время жизни неравновесных носителей заряда.

Фотогальванический эффект проявляется даже при освещении поверхности полупроводника хорошо поглощаемым светом. Основное поглощение происходит в поверхностном слое, поэтому здесь же возникает избыточная концентрация электронов и дырок, которые диффундируют вглубь полупроводника (рис.5). Поскольку коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии дырок, то электроны опережают дырки и происходит разделение зарядов – поверхность полупроводника заряжается положительно, а объем - отрицательно. Таким образом при освещении полупроводника возникает электрическое поле или ЭДС называемая ЭДС Дембера. Возникшее поле будет тормозить электроны и ускорять дырки, поэтому через некоторое время после начала освещения установится динамическое равновесие в процессе диффузии носителей заряда. При этом напряженность электрического поля будет пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда.

Фотогальванический эффект возникает и в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с p – n переходом, с переходом металл – полупроводник, с гетеропереходом). Внутреннее электрическое поле перехода разделяет генерированные излучением фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков – дырки и электроны – создают фото ЭДС.

Рассмотрим процесс образования фотоносителей при облучении полупроводника потоком фотонов. Собственное поглощение в полупроводниках ( процесс 1 на рис.6) обычно значительно интенсивнее, чем примесное поглощение (2 и 3 на рис.6), поскольку концентрация примесных атомов мала и большинство из них уже ионизированны при достаточно низких температурах. Поэтому фотопроводимость полупроводника существует, в основном, за счет собственных фотоносителей.

Чтобы световой фотон мог создать фотоносители, должны выполняться следующие энергетические соотношения:

(2.4)

где: _ф1 и _ф2 - энергии фотона в процессах 1 и 2 на рис.6, Е_С, Е_, Е_t - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и примесного уровня.

Следовательно, собственный фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длинной волны, меньшей некоторого значения:

(2.5)

где: с – скорость света; - ширина запрещенной зоны в эВ;- длинноволновая граница спектральной чувствительности полупроводника в мкм. Для кремния, германия, арсенида галлия, сернистого и селенистого кадмияравны, соответственно: 1,1; 1,8; 0,9; 0,7; 0,8 мкм. Собственный фотоэффект возможен лишь при длине волны излучения.