Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

FTT-stud / view6

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
326.54 Кб
Скачать

Вважаючи, що за час життяτ кожний носій проходить через об’єм фоторезистора τ/tдр раз, де tдр = L/vдр – час дрейфу носія через фоторезистор довжиною L, vдр = µE = μU0/L

– дрейфова швидкість, μ – рухливість, знаходимо силу фотоструму

 

Iф = egt / tдр = eDnmU 0 / l 2 ,

(6.20)

а з урахуванням (6.19) її можна подати у вигляді

 

Iф =

eW0 (1 - r)hmtU 0

=

eW0 (1 - r)hmtlU 0

.

(6.21)

hn l 2

 

 

 

hc l 2

 

У разі властивої фотопровідності у(6.20, 21) замість µ слід підставляти сумуµe + µh рухливостей носіїв обох типів.

Важливою характеристикою фоторезистора є йогочутливість – відношення сили фотоструму до потужності освітлення:

 

Iф

=

 

e(1 - r)

×hmtlV

,

(6.22)

 

 

 

 

 

W0

 

 

hc l 2

0

 

 

 

 

 

 

 

З (6.22) видно, що вона пропорційна

 

довжині хвилі

падаючого

світлаλ і прикладеній

напрузі U0, але обернено пропорційна квадратові довжині світлочутливого елемента фоторезистора. Ці величини є зовнішніми параметрами на відміну від внутрішніх – η, τ та µ, що визначаються типом напівпровідника, з якого виготовлено фоторезистор.

Чим більше час життя нерівноважних носіїв, тим вища чутливість фоторезистора, але при цьому зростає і йогоінерційність: зміна їх концентрації описується законом (4.39), записаним у формі

Dn = Dn0e

-(t -t0 ) /t

,

 

 

 

(6.23)

 

 

 

 

 

де t0 – момент вимкнення світла. За таким самим законом змінюється й фотопровідність

s ф = s -s т = eDn0 me

-(t -t0 ) /t

= s ф0e

-(t-t0 ) /t

,

(6.24)

 

 

 

де σ – провідність освітленого, а σт – неосвітленого

напівпровідника (темнова

провід-

ність), σф0 стаціонарна фотопровідність,

що встановлюється

за умови

незмінної

освітленості фоторезистора. З (6.24) видно, що чим більший час життя нерівноважних носіїв, тим повільніше буде спадання фотопровідності(ділянка ВС на рис. 6.5), а отже фотоприймач буде більш інерційним.

Дотична,

проведена до

кривої спаду

 

фотопровідності σф(t) у точці t0,

відтинає

 

 

на осі часу відрізок, рівний часові життя

 

 

нерівноважних носіїв (рис. 6.5). Цей факт

 

 

використовують для експериментального

 

 

визначення τ.

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 6.5 показано також характер

 

 

встановлення

стаціонарної

 

фотопровід-

 

 

ності

після

увімкнення

освітлення

 

(ділянка ОВ), що описується законом

Рис. 6.5. Характер зростання фотопровідності від

 

 

 

 

 

 

 

s ф = s ф0 (1 - e

-(t-t0 ) /t

) .

(6.25)

початку освітлення до моменту

досягнення

 

 

стаціонарного значення (ділянка ОВ)

та її

У цьому випадку дотична, проведена до

спадання після вимкнення світла (ділянка ВС)

 

кривої σф(t) у початку координат, також відтинає на прямій АВ відрізок, рівний τ.

6.8. Фотолюмінесценція

 

Люмінесценцією – нзивається явище надлишкового (понад теплове) випромінювання тіла в притаманній йому ділянці спектра, якщо воно триває протягом часу, довшого за період світлових коливань. У цьому означені, вперше сформульованому радянським фізиком С.І. Вавиловим, виділено два важливих моменти, характерні для всіх видів люмінесценції, які дозволяють однозначно ідентифікувати явище.

По-перше, це холодне, нетеплове світіння, яке виникає внаслідок випромінювання квантів електромагнітних хвиль окремими атомами чи носіями заряду, збудженими за рахунок підведення енергії ззовні довільним способом, окрім теплопередачі. По-друге, характерною особливістю люмінесценції є явище післясвітінняїї – випромінювання енергії деякий час після припинення дії зовнішніх сил, що її викликали.

Саме таке означення відрізняє люмінесценцію від теплового(рівноважного) випромінювання тіла, що підпорядковується закону Кірхгофа, та дає право віднести її до розряду нерівноважних процесів. Крім того, воно відділяє люмінесценцію і від усіх інших

видів

нерівноважного

 

випромінювання, таких, як

вимушене (індуковане)

випромінювання, гальмівне випромінювання, випромінювання Вавілова-Черенкова і т.п.

Люмінесценція,

як

і

довільне

інше

явище

взаємодії

електромагнітн

випромінювання з речовиною, характеризується інтенсивністю, спектральним складом,

поляризацією, когерентністю, та додатковою характеристикою, яка виділяє це явище -з

поміж

інших, – тривалістю

післясвітіння.

Усі

процеси

випромінювання світла

речовиною, окрім люмінесценції, практично безінерційні; їх тривалість близька до періоду

світлових коливань (~

10-15

с). У випадку люмінесценції акти збудження

системи та

випромінювання, викликаного цим збудженням, розділені проміжними процесами, що спричиняє світіння навіть після припинення дії збуджуючого фактора. Залежно від тривалості післясвітіння люмінесценцію відносять до одного з двох типів:

·флуоресценція – люмінесценція з малим часом післясвітіння (до декількох хвилин);

·фосфоресценція - люмінесценція з великим часом післясвітіння(від декількох хвилин до декількох годин).

Залежно від того, за рахунок якої енергії виникає люмінесценція, розрізняють такі її основні види:

·фотолюмінесценція – збудження здійснюється квантами поглинутого випромінювання оптичної та ультрафіолетової ділянок спектра електромагнітних хвиль;

·радіолюмінесценція – збуджується радіаційним опромінюванням;

·Х-люмінесценція (ренгенівська)– викликається квантами Х-променів;

·катодолюмінесценція – відбувається за рахунок кінетичної енергії електронів чи іонів, прискорених у електричному полі;

·електролюмінесценція – спричиняється безпосередньо електричним полем, постійним чи змінним;

·хемілюмінесценція – збуджується за рахунок енергії хімічних реакцій;

·біолюмінесценція – виникає внаслідок протікання біологічних процесів;

·тріболюмінесценція – збуджується внаслідок механічної дії (тертя).

Найбільшого застосування до потреб техніки набули явищак тодо-, фото- та

електролюмінесценції.

 

Перше з них лежить в основі дії таких

поширених приладів, як електронно-

променеві трубки, електронно-оптичні перетворювачі,

люмінесцентні лампи. У них

здійснюється перетворення енергії електричного поля у енергію випромінювання не безпосередньо, а шляхом прискорення емітованих катодом електронів, що взаємодіють з речовиною, яка внаслідок цього світиться. Для збудження такого світіння виникає потреба у великих прискорюючих напругах і приладах з вакуумною конструкцією.

Електро- і більшість фотолюмінесцентних приладів– твердотілі і базуються на безвакуумних конструкціях; технологія виробництва яких ґрунтується на добре відпрацьованій і поширеній технології напівпровідникового приладобудування.

Речовини, здатні люменсціювати внаслідок різного роду збуджень, називаються

люмінофорами.

Спектром люмінесценції називається залежність інтенсивності світіння речовини від енергії випроміненого фотона або довжини хвилі.

Уцьому розділі дається короткий огляд фізичних процесів, які формують спектри фотолюмінесценції у напівпровідниках.

Унапівпровідникових кристалах фотолюмінесценція може проявлятись у одному з трьох видів, що відрізняються можливим механізмом її реалізації, а саме:

-рекомбінаційного міжзонного випромінювання;

-рекомбінаційного випромінювання з участю домішкових, дефектних або екситонних рівнів;

-випромінювання, пов’язаного з внутрішньоабо міжцентровими переходами.

Вище відзначалося, що утворені в результаті поглинання світла носії майже вільно рухаються у кристалі і за час~ 10-12 – 10-11 с релаксують (частково зменшують свою енергію, переходячи на незайняті рівні з меншою енергією у зоні, де вони з’явилися) і переходять до розряду рівноважних; кристал при цьому нагрівається. Решта (понад ті, що релаксували) нерівноважних носіїв за певний проміжок часу, що визначається часом їх життя τi, рекомбінують (здійснюють перехід, у стани з меншою енергією з нижче розташованих зон (наприклад, це можуть бути переходи, зворотні до показаних на рис. 6.1, 2, 4), внаслідок чого зникає пара“електрон провідності – дірка” або “носій – іонізований домішковий атом”. Надлишок енергії у процесі релаксації випромінюється у вигляді кванта світла (фотона відповідної частоти) – саме це і є суттю явища фотолюмінесценції.

Час життя нерівноважних носіїв залежить від структури енергетичного спектра напівпровідника (малий у прямозонних і досить великий у непрямозонних), а також від ширини його забороненої зони (наприклад, у прямозонному InSb (Eg = 0,17 еВ) τi = 6∙10-7

с; а у непрямозонних Ge (Eg = 0,65 еВ) і Si (Eg = 1,1 еВ) він становить, відповідно, 0,43 с та біля 3 год). Відповідно, різною буде й тривалість післясвітіння.

Очевидно, при переходах протилежного напрямку до показаних на рис. 6.1, 2, 4, енергія випроміненого фотона може бути тією самою, що й енергія поглиненого, або ж менша(на величину енергії, втраченої розсіюванням на атомах ґратки ). Цей факт відображає один із експериментально встановлених Стоксомзаконів фотолюмінесценції: довжина хвилі фотолюмінесценції як правило, більша, ніж довжина збуджуючої хвилі. Іноді дається більш загальне формулювання цього закону: максимум спектра люмінеценціїзсунутий у довгохвильову область відносно максимуму спектра поглинання.

Окрім донорних і акцепторних рівнів у забороненій зоні напівпровідника можуть утворюватись додаткові рівні, що відповідають дозволеним станам домішкових атомів, дефектів ґратки (наприклад, вакансій) або екситонів. Вони також можуть брати участь у рекомбінаційних процесах, пов’язаних з фотолюмінесценцією. За рекомбінаційними функціями домішкові рівні(або домішкові атоми, що їх утворюють) поділяють на два класи. До першого з них належать так зваценітри прилипання (або пастки) – незаповнені рівні, розташовані у забороненій зоні поблизу дна зони провідності або заповнені – біля верха валентної зони (позначені літерою N на рис. 6.6).

Центри прилипання характеризуються тим, що вони здатні захоплювати вільні носії тільки одного типу з найближчої зони дозволених енергій(електрони з зони провідності або дірки – з валентної).

До другого класу належать так звані центри рекомбінації або активатори – глибоко розташовані у забороненій зоні рівні, заповнені електронами або ,нізалежно від їх природи (на рис. 6.6 їх позначено літерою r). Збудження кристалу зводиться до того, що внаслідок поглинання кванта світла відповідної частоти, у зону провідності переводиться електрон з валентної зони або з центра рекомбінації(за умови, що він був заселений), який при цьому іонізується (переходи 1 на рис. 6.6).

 

Протягом проміжку часу, що визначається часом

 

 

життя τi, частина

електронів

 

із

зони

провідності

 

рекомбінує безпосередньо з іонізованими центрами

 

рекомбінації (при кожному такому акті зникає електрон

 

 

провідності та іонізований стан домішкового атома) або

 

 

з

дірками

валентної

,зонищо

 

супроводжується

 

 

випромінюванням фотонів відповідних частот. Інша

 

 

частина їх захоплюється пастками, перехід з яких

 

 

можливий тільки назад у зону провідності. Для цього

 

 

електрону необхідна додаткова енергія, яку він може

 

 

отримати тільки від атомів ґратки. На відміну від

 

 

електрона

провідності, електрон,

захоплений

центром

 

 

прилипання, локалізований поблизу домішки і тому не

 

 

може рухатись по кристалу, внаслідок чого ймовірність

 

 

його

зіткнення

з атомами

ґратки

істотно зменшується

 

 

(це означає, що час знаходження електрона у зв’язаному

Рис. 6.6. Схема

переходів

стані може бути досить великий). Після переходу з

участю центрів прилипання N та

пастки у зону провідності, електрон

переходить на

рекомбінації r

 

рівень активатора (перехід 2 на

рис.

6.6). Аналогічно

 

 

відбуваються

переходи за

участю

дірок і незаповнених рівнів центра рекомбінації.

Важливо,

що

вихід

електронів

з

пастки

і подальша

рекомбінація з

діркою із

випромінюванням фотона може відбуватися й після припинення освітлення кристала зовнішнім джерелом, чим забезпечується процес тривалого(до декількох годин) післясвітіння.

У реальних кристалах існує декілька сортів центрів прилипання і рекомбінації, іноді випромінювальні переходи здійснюються за участю екситонних рівнів(екситоннна люмінесценція). Тому рекомбінаційні схеми у них зазвичай значно складніші.

У наведених вище найпростіших схемахрекомбінаційної фотолюмінесценції спостереженню цього явища передувала реалізація внутрішнього фотоефекту. Проте, за наявності домішкових атомів, що утворюють у забороненій зоні напівпровідника систему глибоких рівнів, можлива реалізація фотолюменсценції і без появи фотопровідності. Внаслідок взаємодії домішкових атомів з найближчим оточенням, атомні рівні основного Е0 і збуджених Езб станів домішки розщеплюються у відповідні електронно-коливні зони, тобто мають квазімолекулярний вигляд. У цьому випадку можливе поглинання світла домішковим центром, внаслідок якого відбуваються переходи Е0 Езб і наступні зворотні

спонтанні

переходи,

що супроводжуються випромінюванням. Акти випромінювання

відстають

від актів

поглинання внаслідок здійснення релаксаційних переходів між

рівнями зони збуджених станів і наявності певного(~ 10-8 c) часу життя електронів у збуджених станах; вони здійснюються спонтанно, навіть при вимкненні збуджуючого освітлення. Тривалість цих процесів визначає тривалість післясвітіння фотолюменсценції, яка у цьому випадку називаєтьсяспонтанною внутрішньоцентровою або

мономолекулярною.

Якщо у кристалі існує домішка іншого типу, яка створює домішкові рівні типу центрів прилипання поблизу дна зониЕзб, то частина електронів з цієї зони може бути ними захоплена. Цей процес можна трактувати як факт переходу електрона з орбіти збудженого стану одного домішкового атома на орбіту домішкового атома іншого сорту, сили притягання з боку ядра якого більші. Зворотній перехід можливий тільки за умови одержання електроном додаткової енергії, набути яку він може тільки внаслідок зіткнення з фононом відповідної енергії. Після цього здійснюється перехід у основний стан Е0, що супроводжується випромінюванням кванта світла, тобто фотолюмінесценцією.

Описана схема реалізації люмінесценції через систему міжцентрових переходів подібна до випадку люмнесценції рекомбінаційного типу за участю центрів прилипання і

рекомбінації,

проте

відрізняється

тим, що

вона

не

супроводжується

появою

фотопровідності. Очевидно, тривалість післясвітіння фотолюмінесценції на міжцентрових

переходах більша, ніж у випадку мономолекулярної.

 

 

 

 

 

 

Широкого практичного застосування фотолюмінесценція набула

у зв’язку з

можливістю

створення антистоксових

люмінофорів. Встановлено, що у

ряді

речовин

спостерігається не довгохвильовий (відповідно до закону Стокса), а короткохвильовий

зсув максимуму фотолюмінесценції. У випадку напівпровідників це

пояснюється

наявністю в них домішкових центрів двох типів: сенсибілізаторів та активаторів.

Механізм збудження антистоксової фотолюмінесценції полягає в,

щтому іон

сенсибілізатора поглинає послідовно пару квантів світла великої довжини λ1

і передає всю

енергію

іонізованій

домішці

активатора. Перехід

у

основний

стан

 

активатора

супроводжується випромінюванням світла з довжиною хвиліλ2 λ1/2. Це дає можливість одержання, наприклад, зеленого світіння (λ = 550 нм) кристалу при опромінюванні його ІЧ-променями (λ ≈ 1 мкм). Така ситуація, наприклад, реалізується при взаємодії іонів Gd3+

(сенсибілізатор) і Tb3+ (активатор) у люмінофорі YPO4:Tb, Gd.

 

Ефективність

перетворення

поглиненої

кристалом-люмінофором

енергії

випромінювання

характеризується

таким

його

параметром, як квантовий

вихід

люмінесценції ηk – кількість випромінених фотонів у розрахунку на один поглинений кристалом квант світла.

Іншою

характеристикою

ефективності

перетворення

поглиненої

енергії

випромінювання є так званийенергетичний

вихід (ККД) люмінесценції η – відношення

випроміненої кристалом енергії до поглиненої ним за той самий час:

 

 

 

 

h =

Eвипр

,

 

 

 

(6.26)

 

 

Епогл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

або, оскільки Е = Nhν,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h = hk

nвипр

.

 

 

(6.27)

 

 

n погл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотолюмінесценція широко використовується у техніці, особливо освітлювальній. Це пов’язане з тим, що застосування фотолюмінофорів для виготовлення люмінесцентних

ламп

дозволяє

економно

використовувати

електроенергію

у процесі освітлен

приміщень.

 

 

 

 

Люмінесцентна лампа являє собою газорозрядний прилад, в якому електрони, вивільнені з катода внаслідок термоелектронної емісії і прискорені електричним полем, збуджують атоми газу, яким наповнена колба лампи (зазвичай це – пари ртуті з добавками інертних газів) при зіткненні з ними. Переходячи із збуджених станів(час життя яких становить 10-9 – 10-8 с) в основний, атоми випромінюють в основному в УФ-області спектра. Для перетворення цього випромінювання у видиме використовуєтьс фотолюмінофор, який наноситься на внутрішню поверхню скляної колби лампи.

Квантовий вихід люмінесценції кращих люмінофорів, що використовуються для виготовлення ламп денного світла, сягає 90%, тому і ефективність таких джерел світла значно вища, ніж у звичайних ламп розжарювання, ККД яких не перевищує 3 – 4%.

Найпоширенішим фотолюмінфором, що використовується для створення ламп денного світла є полікристалічний галофосфат кальцію. Вводячи в нього різні домішки, наприклад, сурму або марганець у різних концентраціях, отримують люмінофори різного типу, що дозволяє виготовляти лампи різної колірності, зокрема й такі, спектр випромінювання яких близький до спектра сонячного світла.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ЗАСВОЄННЯ НАВЧАЛЬНОГО МАТЕРІАЛУ

1.Дайте означення явища поглинання світла та коефіцієнту поглинання.

2.Назвіть можливі механізми реалізації явища поглинання світла у кристалах.

3.Розкрийте зміст фундаментального поглинання. У яких середовищах і за яких умов воно реалізується?

4.Опишіть механізм екситонного поглинання. У яких середовищах і за яких умов він реалізується? У чому полягає відмінність екситонного поглинання в фундаментального?

5.Опишіть механізм домішкового поглинання. У яких середовищах і за яких умов він реалізується? У чому полягає відмінність домішкового поглинання в фундаментального?

6.Опишіть механізм поглинання світла вільними носіями. У яких середовищах і за яких умов він реалізується? У чому полягає його відмінність від фундаментального поглинання?

7.Опишіть механізм поглинання світла кристалічною ґраткою. У яких середовищах і за яких умов він реалізується ? У чому полягає його відмінність від фундаментального поглинання?

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке FTT-stud