Взаємодія електромагнітного випромінювання з речовиною

Фотопровідність напівпровідників

Явище взаємодії випромінювання з напівпровідником, внаслідок якого підвищується провідність матеріалу за рахунок переходу електронів з валентної зони чи домішкових рівнів у зону провідності називається внутрішнім фотоефектом. Струм, який при цьому виникає під впливом світла при накладанні на напівпровідник зовнішнього електричного поля, називається фотострумом, а відповідна провідність — фотопровідністю.

Спричинити перехід електронів із валентної зони у зону провідності можуть тільки такі кванти світла, які мають енергією, не меншу ширини забороненої зони напівпровідника (). В результаті виникає власна фотопровідність, яка зумовлена як електронами так і дірками.

Для домішкових напівпровідників властива домішкова фотопровідність, тобто фотопровідність можна спостерігати і при < . Для напівпровідників з донорною домішкою ( – типу) фотон повинен мати енергію >> , а для напівпровідників з акцепторною домішкою ( – типу) – >> . Домішкова фотопровідність є чисто електронною для напівпровідників – типу і чисто дірковою для напівпровідників – типу.

Максимальна довжина хвилі , при якій ще можна спостерігати фотопровідність у напівпровіднику називається “червоною межею” внутрішнього фотоефекту. Для власних напівпровідників , а для домішкових напівпровідників , де , або .

Для власних напівпровідників припадає на видиму область випромінювання, а для домішкових – на інфрачервону.

На рис. 6.13 зображена типова залежність фотоструму і коефіцієнта поглинання від довжини хвилі випромінювання, яке потрапляє на власний напівпровідник.

Спад фотопровідності в короткохвильовій частині на рис. 6.13, викликаний великою швидкістю

 

Рис. 6.13

рекомбінації носіїв заряду в напівпровіднику в умовах сильного поглинання світла.

За експериментально знайденим значенням λ₀ у видимій області випромінювання можна визначити ширину забороненої зони власного напівпровідника за формулою:

. (6.7)

 

Люмінесценція твердих тіл

У природі існує випромінювання, яке відрізняється за своїм характером від всіх відомих видів випромінювання, а саме від теплового випромінювання, відбивання, розсіювання світла і т.д. Це люмінесцентне випромінювання. Воно має такі особливості:

- на окремих ділянках спектра спектральна густина люмінесцентного випромінювання перевищує спектральну густину випромінювання абсолютно чорного тіла;

- люмінесцентне свічення речовини продовжується деякий час після припинення опромінення. Тривалість люмінесценції змінюється для різних речовин, залежно від умов, в широких межах, від мільярдних часток секунди до багатьох годин і навіть діб. У першому випадку це флуоресценція , а в другому – фосфоресценція ;

- кожна речовина має певний характерний для неї спектр люмінесценції.

Об'єднуючи ці всі ознаки, С.І. Вавілов дав таке визначення люмінесценції:

люмінесценція – це оптичне випромінювання тіла, що є надлишковим над тепловим того самого тіла в даній спектральній області при тій же температурі, що має тривалість свічення більше ніж , тобто не припиняється одразу після усунення причини, що викликала свічення.

Залежно від способу збудження люмінесценції розрізняють декілька її видів:

· свічення, що виникає під дією світлового випромінювання як видимого, так і більш короткохвильового (фотолюмінесценція);

· свічення, що виникає при електричних розрядах (електролюмінесценція);

· свічення, яке викликане хімічними перетвореннями всередині тіла (хемілюмінес-ценція).

Згідно з правилом Стокса спектр люмінесценції в цілому і його максимум завжди виявляються в області більш довших хвиль порівняно зі спектром поглинутого випромінювання, здатного викликати цю люмінесценцію.

Це правило з точки зору квантової теорії означає, що енергія поглинутого фотона частково витрачається на енергію W, яка витрачається на неоптичні процеси, тобто

, (6.8)

звідки , або , що і виходить із сформульованого правила.

Ступінь перетворення поглинутої енергії в енергію випромінювання характеризується „виходом люмінесценції”. С.Вавілов ввів

1) енергетичний вихід люмінофора – відношення енергії, яка випромінюється люмінофором при повному висвічуванні, до енергії, яка ним поглинута:

; (6.9)

2) квантовий вихід люмінофора – відношення числа квантів , що випромінені речовиною, до числа поглинутих квантів :

. (6.10)

Досліди показують, що кристали з високим ступенем досконалості ґратки практично не люмінесціюють. Для надання люмінесцентних властивостей в їх структурі необхідно створити дефекти. Найбільш ефективними дефектами є домішки сторонніх атомів. Ці домішки називаються активаторами.

Складні, виготовлені штучно кристалічні речовини з дефектами внутрішньої структури, які мають високі люмінесцентні властивості, називаються кристалофосфорами.

Розглянемо механізми виникнення люмінесценції з погляду зонної теорії твердих тіл. Між валентною зоною І і зоною провідності ІІ кристалофосфора розміщуються домішкові рівні активатора (рис. 6.14). При поглинанні атомом активатора фотона з енергією електрон з домішкового рівня переводиться в зону провідності, вільно переміщується по кристалу доти, доки не зустрінеться з іоном активатора і рекомбінує з ним, перейшовши знову на домішковий рівень. Рекомбінація супроводжується випроміненням кванта люмінесцентного випромінювання. Час випромінювання люмінофора визначається часом життя збудженого стану атомів активатора, який не перевищує ~ 10^-9 с. Тому свічення є короткочасним (флуоресценція) і зникає швидко після припинення опромінення.

Для виникнення тривалого свічення кристалофосфор повинен мати також центри захоплення або пастки для елек­тронів, якими є незаповнені локальні рівні і , що лежать поблизу дна зон провідності (рис. 6.15). Вони можуть бути утворені атомами домішок, атомами в міжвузловинах. Під дією світла атоми активатора збуджуються, тобто електрони з домішкового рівня переходять в зону провідності і стають вільними. Однак вони захоплюються пастками, внаслідок чого втрачають свою рухливість, тобто здатність рекомбінувати з іонами активатора. Звільнення електрона з пастки вимагає певної енергії, яку електрони можуть отримати, наприклад, від теплових коливань ґратки. Електрон, який звільнений з пастки, потрапляє в зону провідності і рухається вільно до того часу, доки не буде захоплений пасткою знову або не рекомбінує з іоном активатора. В останньому випадку виникає квант люмінесцентного випромінювання. Тривалість цього процесу визначається часом перебування електрона в пастках.

 

Рекомендована література до Розділу VІ

1. І.Р. Зачек, І.М. Кравчук, Б.М. Романишин, В.М. Габа, Ф.М. Гончар. Курс фізики: Навчальний підручник/ За ред. І.Е. Лопатинського. – Львів: Бескид–Біт, 2002. 376 с.

2. Г.И. Епифанов. Физика твердого тела. – Москва.: Высш. школа, 1982. 288 с.

3. Б.М. Яворський, А.А. Детлаф. Курс фізики ІІІ. – К.: Вища школа, 1973. 499 с.

4. Т.И. Трофимова. Курс физики. – М.: Высш. школа, 1990. 478 с.

5. И.В. Савельев. Курс общей физики, т. ІІІ - М.: Наука, 1986.– 318 с.

6. К.Д. Хмелюк, Д.Д. Цициліано. Фізика атома і твердого тіла. – Київ.: Вища школа, 1974. 231 с.

7. І.Р. Зачек, І.Е. Лопатинський, Й.Я. Хром´як. Висвітлення досягнень українських фізиків у курсі фізики: Методичний посібник/ За ред. Ю.К. Руданського. – Львів: Видавництво національного університету „Львівська політехніка”, 2003. 84 с.

Лабораторна робота № 30