Каковы особенности рекомбинационной электролюменисценции на p-n переходе в прямозонных и непрямозонных полупроводниках?
На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов: «зона–зона», «зона — примесный уровень» и переходы между уровнями примеси. При межзонных переходах имеют место два основных случая, соответствующие прямым и непрямым переходам. Наличие прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса. Импульс электрона Рэ равен произведению его массы mэ на скорость движения:
Рэ = mэV. (2.69)
Прямой переход — это переход электрона без изменения импульса электрона. Непрямой переход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или поглощаемого фотона. По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выполняться равенство
Pэ1 = Pэ2 +-kф (2.70)
где Рэ1 и Рэ2 — начальный и конечный импульсы электрона соответственно; kф — импульс фотона. Так как скорость движения фотона равна скорости света, то kф = mфс, где масса фотона mф связана с длиной волны соотношением де Бройля:
mф=h/(лямбда×с) (2.71)
Тогда импульс фотона
Kф=hv/с= ЕG/с (2.72)
где ЕG — ширина запрещенной зоны. Для ЕG ~ 1 эВ имеем kф<< Рэ2, т. е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом переходе (Рэ1 ~ Рэ2), что соответствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны ЕВ и минимумом зоны проводимости ЕG. Возможны также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости с изменением импульса электрона (Рэ1 не равен Рэ2) — непрямые переходы. При этом в процессе поглощения энергии, кроме фотона и электрона, должна участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя. Закон сохранения импульса при непрямых переходах имеет вид
|
|
|
Рэ1 = Рэ2 +- kф +-k, (2.73)
где k — импульс третьей частицы (например, фонона). Основные материалы полупроводниковых излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе — GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т. е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы «зона–зона». Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением
Лямбда=1,24/ ЕG (2,74)
где Лямбда — в микрометрах; ЕG — в электрон/вольтах.
В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлия GaP) минимум зоны проводимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и соответственно часть энергии. Длина волны излучения при непрямых переходах получается больше. Тем не менее Излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа: сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а затем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы «донор–акцептор» (Zn+–0–) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в решетке GaP).
|
|
|
Как происходит инжекция неосновных носителей на р-п перехода диода и спонтанное рекомбинационное излучение?
Электронно-дырочным (p–n) переходом называется область вблизи границы, разделяющей полупроводник с различными типами проводимости.
Внешние напряжения, приложенные к p-n переходу, изменяют высоту его потенциального барьера на величину приложенного напряжения.
При прямом напряжении концентрация носителей заряда в запирающем слое увеличивается, и ширина слоя уменьшается. Процесс перехода основных носителей заряда через p-n переход в область, где они будут являться неосновными носителями заряда, за счет уменьшения потенциального барьера при прямом напряжении называется инжекцией. Так как инжектируемые носители заряда увеличивают концентрацию неосновных носителей заряда сверх ее равновесного значения, то инжекция есть введение неравновесных неосновных носителей заряда.
|
|
|
Если p-n переход находится под прямым напряжением, то потенциальный барьер на нем уменьшается на величину приложенного напряжения U и равен φк – U. При увеличении прямого напряжения потенциальный барьер и запирающий слой должны исчезнуть и полупроводник должен стать обыкновенным омическим сопротивлением.
При наличии прямого напряжения на p-n переходе происходят одновременно два встречных процесса инжекции через p-n переход электронов из электронной области в дырочную и дырок из дырочной области в электронную. Инжектированные электроны из электронной области в дырочную, составляющие электронную диффузионную компоненту примесного тока через p-n переход, создают в дырочной области отрицательный объемный заряд. Вследствие возникновения отрицательного объемного заряда появляется электрическое поле, которое втягивает основные носители заряда – дырки в область объемного заряда, созданного инжектированными электронами.
Происходит компенсация отрицательного объемного заряда инжектированных электронов положительным объемным зарядом основных носителей заряда – дырок, привлеченных электрическим полем. Таким образом, в этой области полупроводника сохраняется условие электрической нейтральности. Чтобы сохранить электрическую нейтральность в тех частях дырочной области, откуда ушли дырки и где создался объемный заряд некомпенсированных акцепторов, необходимо поступление из внешнего контакта дополнительных дырок. Количество вошедших из внешнего электрода неравновесных дырок равно количеству инжектированных электронов.
|
|
|
Таким бразом, осуществляется прохождение тока через p-n переход даже при условии, что все инжектированные электроны полностью рекомбинируют в дырочной области, не дойдя до внешнего контакта. Процесс прохождения электрического тока заключается в одновременном появлении в дырочной области одинакового количества неосновных и основных неравновесных носителей заряда. Аналогичные явления имеют место и для дырок, инжектированных в электронную область.
Очевидно, что распределение концентрации основных неравновесных носителей заряда в точности повторяет распределение концентрации инжектированных неосновных носителей заяда, т.е. на границе области объемного заряда их концентрации будут максимальными и будут убывать по направлению к внешнему контакту.
Концентрация инжектированных электронов на границе объемного заряда определяется следующим выражением:
Которое является одним из важнейших соотношений, описывающих процессы в p-n переходе.
Рекомбинационное излучение. Излучение центров люминесценции может происходить и за счет так называемого рекомбинационного свечения. Рекомбинационное свечение возникает как следствие воссоединения (рекомбинации) двух частей центра высвечивания, отделенных друг от друга при возбуждении. При рекомбинации этих двух частей выделяется энергия, равная энергии их разъединения (ионизации или диссоциации); эта энергия может быть использована для возбуждения центра, в состав которого входит один из разъединенных остатков.
Итак, рекомбинационное излучение представляет собой высвечивание возбужденной молекулы или иона, пришедших в возбужденное состояние за счет энергии, выделяющейся при рекомбинации разноименно заряженных частиц.
Высвечивание может происходить как в отдельных центрах, так и при участии всего вещества люминофора. Например, при рекомбинационном свечении процесс преобразования энергии возбуждения в люминесценцию протекает следующим образом: сначала в результате возбуждения происходит разделение разноименно заряженных частиц, затем они рекомбинируют с новыми «партнерами», в результате чего в люминесценции участвует весь люминофор. К аналогичному выводу придем и при объяснении высвечивания кристаллофосфоров на основе зонной теории. В этой связи различают два класса свечения: так называемое свечение дискретных центров и свечение вещества. Под свечением дискретных центров понимают люминесценцию, развивающуюся в пределах отдельных частиц, выделенных из остального вещества среды. В случае люминесценции вещества при поглощении, переносе к месту излучения и излучении энергии участвует все вещество люминофора.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 493; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!