Люминесценция полупроводников
Лабораторная работа N7
Исследование интегральных оптронов
| Цель работы: | Изучить принцип работы оптоэлектронных полупроводниковых приборов, освоить методику измерения параметров оптронов. |
ВВЕДЕНИЕ
Весьма обширное применение в радиотехнике находят оптоэлектронные приборы.
Оптоэлектронный полупроводниковый прибор – это прибор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение, чувствительный к этому излучению в видимой, инфракрасной(ИК) и (или) ультрафиолетовой (УФ) областях спектра или использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов.
Оптическим диапазоном электромагнитных колебаний, в котором могут работать оптоэлектронные полупроводниковые приборы (ОЭПП), считается диапазон длин волн от 1 мм до 1 нм (рис.1).
Рис.1
ОЭПП делятся на излучатели и приемники излучения, оптопары и оптронные интегральные микросхемы. Классификация ОЭПП представлена на рис.2.
Рис.2
Полупроводниковый излучатель – это ОЭПП, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения видимой, ИК – или УФ – областей спектра.
Большая часть полупроводниковых излучателей могут излучать только некогерентное электромагнитное излучение: излучатели видимой области спектра (светоизлучающие диоды (СИД), знаковые индикаторы, шкалы и экраны) и полупроводниковые излучатели инфракрасной области спектра (ИК - диоды).
|
|
|
Когерентные полупроводниковые излучатели - лазеры с различными видами возбуждения. Они могут излучать электромагнитные волны с определенной амплитудой, частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией, что и соответствует понятию когерентности.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Оптические свойства полупроводников
При облучении поверхности полупроводника электромагнитным излучением (потоком фотонов) наблюдаются явления рассеяния, отражения и поглощения фотонов, в результате чего плотность потока падающих фотонов не совпадает с суммарной плотностью потоков отраженных и прошедших через полупроводник фотонов.
Существуют различные механизмы поглощения электромагнитного излучения (далее для краткости будем называть - света). В результате поглощения кванта света - фотона - его энергия может быть передана: а) электронам валентной зоны с переводом их в зону проводимости (ионизация атомов полупроводника) – собственное поглощение; б) свободным электронам зоны проводимости или дыркам валентной зоны – поглощение носителями заряда, с изменением энергии носителей за счет энергии поглощенного фотона; в) примесным атомам с последующей их ионизацией – примесное поглощение; г) кристаллической решетке с возбуждением колебаний атомов решетки (фононов) и повышением внутренней энергии кристалла.
|
|
|
Энергия электрона в вакууме может быть выражена через его импульс:
где: 
- вектор скорости свободного электрона, 
- его масса, а 
- импульс электрона. Таким образом, зависимость 
представляется параболой (рис.3а). Чаще подобную зависимость изображают от волнового вектора 
( 
,ħ постоянная Планка).
В кристалле электрон свободен весьма условно, поскольку он находится в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки, узлы которой заняты ионами полупроводника или примеси. Чтобы достаточно сложные законы движения электрона в поле кристалла описать с помощью соотношений классической механики, вводят понятие эффективной массы электрона, которую принимают как коэффициент пропорциональности между силой, действующей со стороны поля на электрон, и его ускорением.
Зона проводимости полупроводника образована несколькими перекрывающимися разрешенными зонами атомов полупроводника и примесей. Поэтому структура энергетических зон или энергетическая диаграмма полупроводника в пространстве волнового вектора (в - пространстве) может иметь несколько минимумов (долин) (рис.3б). Из рис.3б следует, что в зоне проводимости могут существовать электроны с одинаковой энергией, но с различным волновым вектором или импульсом 
(штриховая линия), т.е. имеющие разные эффективные массы:
|
|
|
(2.1)
Т.к. 
, то 
, что означает, что в полупроводнике могут существовать свободные электроны с различными подвижностями 
: <<легкие>> электроны с меньшей эффективной массой 
и большей подвижностью 
в центральной долине и <<тяжелые>> электроны с большей эффективной массой 
и меньшей подвижностью 
в боковых долинах.
В слабых электрических полях почти все свободные электроны имеют малые дрейфовые скорости и импульсы и поэтому находятся в более глубокой центральной долине. В сильных полях электроны получают дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны 
, и могут уже перейти в боковую долину, где они становятся <<тяжелыми >> и обладают малой подвижностью. Поэтому средняя подвижность всех электронов с увеличением напряженности поля уменьшается, а подвижности “легких” и “тяжелых” электронов могут отличаться в десятки раз.
|
|
|
При собственном поглощении фотонов, в зависимости от их энергии, переход электрона из валентной зоны в зону проводимости может происходить без изменения импульса (или волнового вектора ), например в центральную долину (переход 1 на рис.3б). Такие переходы называются прямыми. Может происходить переброс электрона в зону проводимости с изменением волнового вектора (переход 2 на рис.3б) – непрямые переходы. В последнем случае в процессе поглощения фотона должна участвовать третья частица, которая, в соответствии с законом сохранения импульса, заберет на себя изменение импульса электрона. Такой квазичастицей обычно является фонон – квант тепловой энергии кристаллической решетки.
Поглощение света в полупроводнике характеризует показатель поглощения 
, равный относительному изменению светового потока 
F в слое полупроводника единичной толщины (рис.4):
(2.2)
Выражение (2.2) приводится к виду:
интегрирование которого, дает:
или 
(2.3)
Из (2.3) следует, что показатель поглощения 
- это величина, обратная толщине слоя полупроводника, пройдя который поток фотонов уменьшается в е = 2, 718… раза.
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.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 406; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!