Прямозонные и непрямозонные 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.

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

, (3.39)

где и Р_э2 - начальный и конечный импульсы электрона соответственно; k_ф - импулъс фотона.

Так как скорость движения фотона равна скорости света, то k_ф = m_фс₀, где масса фотона m_ф связана с длиной волны соотношением Бройля

(3.40)

Тогда импульс фотона

(3.41)

где Е_з- ширина запрещенной зоны.

Для Е_з 1 эВ имеем k_ф Р_э2, т.е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом пepexoдe (P_э1 ~ Р_Э2), 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 (Р_э1 Р_э2) - 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; E_з- 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 Е_з для каждого материала.

Таблица 3.1. Перспективные материалы для элементной базы оптоэлектроники

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

. (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 A^IIIB^V, 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.

Поиск по сайту: