8.3. Фотоелектричні явища і люмінесценція у бар’єрних структурах
При створенні систем автоматичного регулювання і керування технологічними процесами, у системах навігації літальних апаратів, запису і відтворення інформації, у військовій і техніці кіно-, фото- та літографії широко використовуються напівпровідникові фотореєструючі пристрої – фотоприймачі, принцип дії яких ґрунтується на фотоелектричних явищах у бар’єрах Шотткі, p-n-переході та гетеро-структурах. Роль бар’єрних структур полягає у просторовому розділенні нерівноважних електронів і дірок потенціальним бар’єром.
Освітлення p-n-переходу на частоті hν > Eg викликає генерацію електрон-діркових пар. Подальша поведінка нерівноважних носіїв залежить від того, у якій області бар’єру вони виникають. Якщо світло поглинається у напівпровіднику p-типу, то електрони, які знаходяться на відстані від p – n-переходу меншій середньої довжини вільного пробігу до їх рекомбінації з дірками, встигнуть досягти його, попадуть у область дії дифузійного поля (рис. 7.6 б) і перекинуться ним у напівпровідник n-типу. Якщо світло поглинається у напівпровіднику n-типу, то аналогічно через p – n-перехід дифузійним полем перекидаються дірки. Основні нерівноважні носії у обох випадках ним затримуються.
Якщо електрон-діркові пари утворюються у області просторового заряду, то дифузійне поле виштовхує їх у той напівпровідник, де вони є основними. Отже p – n-перехід виконує роль стоку неосновних носіїв заряду з обох боків бар’єру.
Внаслідок просторового розділення нерівноважних носіїв заряду відбувається зростання концентрації вільних електронів у напівпровіднику n-типу і дірок – напівпровіднику p-типу. Відповідно до (7.30) це приведе до зменшення ширини області просторового заряду, а отже й контактної різниці потенціалів на деяку величину, що називається фото-е.р.с.
Виникнення фото-е.р.с є основою функціонування сонячних батарей – пристроїв для безпосереднього перетворення енергії електромагнітного випромінювання у електричну. Якщо на p-n-перехід подано напругу у зворотному напрямку, то освітленням його можна досягти умов пропускання струму через контакт, електропровідність якого залежить від інтенсивності освітлення. Пристрої, що працюють на цьому принципі (фотодіоди), використовуються у якості фоторезисторів або реєструючих пристроїв – фотоприймачів.
Для створення фотоприймачів і фотоперетворювачів використовують також бар’єри Шотткі і гетеропереходи, що забезпечують малу інерційність фотодіодів, а останні – ефективніше перетворення світлової енергії у сонячних батареях.
Пропускання струму через p – n-перехід викликає вимушене випромінювання – електролюмінісценцію. Відомі два види електролюмінесценції: інжекційна та передпробійна.
Спрощено механізм інжекційної електролюмінесценції можна пояснити так: прикладена до p-n-переходу різниця потенціалів у прямому напрямку викликає перехід (інжекцію) основних носіїв заряду через бар’єр. Частина їх релаксує, а решта – рекомбінують з основними носіями (безпосередньо або через домішкові центри), як і у випадку фотолюмінесценції. При цьому надлишок енергії вільних носіїв випромінюється у вигляді фотонів – область p – n-переходу світиться.
Найбільш поширеними матеріалами, в яких реалізується інжекційна електролюмінесценція, є арсенід і фосфід галію, карбід кремнію та тверді розчини арсеніду та фосфіду галію, ширина забороненої зони яких. Цей вид люмінесценції використовується для виготовлення напівпровідникових джерел світла – світлодіодів та інжекційних лазерів.
Відмінність між випромінюванням світло діода і лазера полягає у тому, що у світлодіоді швидкість утворення нерівноважних електрон-діркових пар мала і тому рекомбінаційні процеси з випромінюванням мають спонтанний (невпорядкований) характер, внаслідок чого одержується некогерентне випромінювання. У випадку інжекційного лазера навпаки – випромінювання когерентне за рахунок високої швидкості вимушених рекомбінаційних переходів.
Висока швидкість рекомбінації одержується за рахунок створення інверсної заселеності станів люмінофора. Стан з інверсною заселеністю відрізняється від рівноважного тим, що зона провідності напівпровідника у цьому стані заселена електронами більше, ніж валентна зона поблизу її верха. Якщо таку систему опромінювати електромагнітною хвилею з частотою, яка забезпечує між зонні переходи, будуть спостерігатися вимушені переходи як з поглинанням, так і з випромінюванням світла. Однак внаслідок інверсної заселеності кількість переходів з випромінюванням буде значно переважати кількість переходів з поглинанням – буде мати місце підсилення випромінювання (лазерний ефект).
Для достатньо інтенсивної інжекції через p – n-перехід використовують напівпровідники з високими концентраціями домішок відповідного (донорного або акцепторного) типу. Інверсія заселеності досягається при великій густині струму у прямому напрямку.
Інжекційні лазери на гетеропероході являють собою двосторонню гетеро-структуру, активний шар якої (GaAs) розміщений між двома гетеропереходами, один з яких (p – n-типу) служить для інжекції електронів, а другий (p – p-типу) відбиває інжектовані електрони, перешкоджаючи їх дифузному розтіканню з активного шару. За однакових струмах накачки в активному шарі гетероструктури досягається більша концентрація електрон-діркових пар, а отже і більше підсилення, ніж у інжекційних лазерах на p – n-переходах. Другою перевагою гетероструктури є те, що утворений активним шаром хвилевод дозволяє поширення випромінювання вздовж структури у межах активного шару, завдяки чому оптичне підсилення використовується якнайефективніше.
Передпробійна електролюмінесценція відрізняється від інжекційної в основному механізмом генерування вільних носіїв. Якщо до p – n--переходу у зворотному напрямку прикладена велика різниця потенціалів (близька до величини електричного пробою), то неосновні носії заряду, які завжди існують у малих кількостях по обидва боки переходу внаслідок теплових флуктуацій, прискорюються так, що при зіткненні з атомами кристалу іонізують їх (ударна іонізація). У результаті цього по обидва боки p – n-переходу з’являються нерівноважні носії. Рухаючись під дією зовнішнього поля, вони частково релаксують (при цьому кристал нагрівається), а решта – рекомбінують з носіями протилежного знаку (безпосередньо або через домішкові центри), як і у випадку фотолюмінесценції. При цьому надлишок енергії нерівноважних носіїв випромінюється у вигляді фотонів – кристал світиться.
Найбільшого технічного застосування набула передпробійна електролюмінесценція широкозонних напівпровідників, таких як сульфід цинку, у змінних електричних полях (ефект Дестріо). Люмінесценція ZnS у видимій області спектра пояснюється рекомбінаційними переходами між домішковими центрами. Активаторами є атоми домішки міді, енергетичні рівні яких розташовані над верхом валентної зони так, що енергія квантів випромінювання становить 2,4 – 2,7 еВ, що відповідає зеленій – блакитній ділянці спектра. Легуванням сульфіду цинку атомами марганцю отримують люмінофор жовтого світіння. На явищі передпробійної електролюмінесценції грунтується робота пристроїв оптичного відображення інформації (індикаторів) – електролюмінесцентних конденсаторів. Їх перевагою є те, що вони можуть виготовлятись довільних розмірів (великі – для колективного зчитування інформації з далеких відстаней, малі – для індивідуальних індикаторів), мають значно меншу енергоємність і більшу швидкість зміни сигналу, ніж у катодолюмінесцентних пристроїв, а також дають можливість одержання практично усієї гами кольорів.