АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

Прямозонные и непрямозонные полупроводники

Читайте также:
  1. Аморфные полупроводники, диэлектрики и металлы
  2. Металлы, полупроводники и диэлектрики
  3. Полупроводники
  4. Полупроводники. Собственная и примесная проводимости полупроводников.
  5. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы.
  6. Примесные полупроводники

 

На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов: зона-зона, зона - примесный уровень и переходы между уровнями примеси. При межзонных переходах возможны два основных случая, соответствующие прямым и непрямым переходам. Наличие прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса (рис. 3.6, а). Импульс электрона равен произведению его массы на скорость движения

(3.38)

Прямой переход - это переход электpона без изменения его импульса. Непрямой пере­ход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или поглощаемого фотона.

Рисунок 3.6. Зависимость энергии электрона от импульса для прямых (а) и непрямых (б) переходов электронов
Е
Е
Зона проводимости
Зона проводимости
Валентная зона
Валентная зона
а
б

По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выпол­няться равенство

, (3.39)

где и Рэ2 - начальный и конечный импульсы электрона соответственно; kф - импулъс фотона.

Так как скорость движения фотона равна скорости света, то kф = mфс0, где масса фотона mф связана с длиной волны соотношением Бройля

(3.40)

Тогда импульс фотона

(3.41)

где Ез- ширина запрещенной зоны.

Для Ез 1 эВ имеем kф Рэ2, т.е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом пepexoдe (Pэ1 ~ РЭ2), что соответствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны и минимумом зоны проводимости (см. рис. 3.6, а).

Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимо­сти с изменением импульса электрона (Рэ1 Рэ2) - непрямые переходы. При этом в процес­се поглощения энергии, кроме фотона и электрона, должна участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя (рис. 3.6, б). Закон сохранения импульса при не­прямых переходах имеет вид

, (3.42)

где k- импульс третьей частицы (например, фотона).

Основные материалы полупроводниковых излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе - GaAIAs 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 с длиной волны



, (3.43)

где λ- в мкм; Eз- в эВ.

Таким образом, выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для любого электронного перехода, как и соблюдение закона сохранения энергии) при прямых переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полу­проводники являются эффективными люминесцентными материалами.

В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлии GaP) минимум зоны пpо­водимости 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 подходяшие примесные центры в два этапа: сначала происходит локализация носителя одного знака на npимесном центре, а за­тем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака.

Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводни­ках значительно сильнее, чем внепрямозонных.

В табл. 3.1 приведены материалы, используемые для изготовления полупроводниковых излучателей, и значения ширины запрещенной зоны Ез для каждого материала.

Таблица 3.1. Перспективные материалы для элементной базы оптоэлектроники

 

Характеристика материала Легирующая примесь
Тип материала Химическая формула Ширина запрещенной зоны, эВ Показатель преломления р-типа n-типа
  AIIIBV GaP 2,25 3,3   Zn, Cd   Se, Te
GaAs 1,43 3,6
GaN 3,25 2,3
InN 2,4 2,9
AlN 3,8 2,0
AlP 2,45 -
    AIIIBVI ZnS 3,8 2,4 Cu, P Al, Br, Cl
CdS 2,9 2,5 Cu, P Al, In, Ga, Br
ZnSe 2,7 2,9 - Al, Br, In, Ga
CdSe 1,8 2,6 - Cl, Br, I
ZnTe 2,3 3,6 Cu, Ag, P Al, Cl, Ga
CdTe 1,6 2,8 Li, Sb, P Al, Cl, In
AVI BVI SiC 3,0 2,6 Al, In N
Другие матералы Si 1,1 3,5   B, Ga, Al   As, P, Sp
CuAlS2 3,5 -
GaS 3,4 -

Предпочтение в современных излучателях отдано полупроводникам с прямыми перехо­дами. Выбор ширины запрещенной зоны Ез определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн. Из выражения (3.43) имеем

‡агрузка...

. (3.44)

Следовательно, для работы в диапазоне видимого излучения (0,38 ... 0,78 мкм) необхо-димы полупроводники с шириной запрещенной зоны J,5 ... 3,0 эВ. Это требование сразу исключает использование германия, кремния и других полупроводников, технология кото­рых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа AIIIBV, их твердым растворам и др.

В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается обычно с помо­щью электролюминесценции. При электролюминесценции энергия возбуждения потребля­ется из электрического поля. Различают два вида электролюминесценции:

- инжекционную, которая возникает в р-n-переходе, находящемся под прямым напря­жением;

- предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых появляется электрический пробой р-n перехода.

Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная электролюминесценция.

 


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 |


Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.005 сек.)