Прямозонные и непрямозонные полупроводники

   

    Физической основой полупроводниковых излучателей является люминесценция. Разнообразие люминесцентных эффектов обусловлено способами возбуждения: фотолюминесценция возбуждается излучением оптической области спектра; катодолюминесценция — катодными лучами, т. е. потоком электронов; рентгенолюминесценция — рентгеновскими лучами; некоторые виды люминесценции возбуждаются g - излучением и быстрыми частицами; электролюминесценция — постоянным или переменным электрическим полем. Как правило, в полупроводниковых приборах используется люми­несценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной.

Распределение электронов по возможным энергетическим уровням в полупроводниках зависит от концентрации примеси и температуры кристалла. При этом для каждой температуры существует вполне определённое распределение электронов по энергетическим состояниям. При изменении температуры через некоторое время устанавливается равновесие электронов и атомов и происходит новое распределение электронов по энергетическим уровням. При этом часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободными носителями тока. Эти свободные носители, существующие при тепловом равновесии, называются равновесными носителями тока. Если возбуждение электронов происходит не в результате теплового воздействия, а за счёт других процессов, например, путём освещения полупроводника или путём приложения электрического поля, то в течение относительно длительного времени электроны могут обладать температурой, большей, чем температура атомов, что приводит к увеличению электропроводности, и такие электроны (и дырки) называются неравновесными носителями тока. Наряду с генерацией неравновесных носителей существует обратный процесс – рекомбинация электронов и дырок – переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего происходит исчезновение электронов и дырок. Рекомбинация может сопровождаться излучением фотонов, что и лежит в основе работы полупроводниковых излучателей.

    Люминесценция включает два основных этапа. На первом из них под воздействием возбуждающей энергии происходит генерация неравновесных носителей заряда. На втором этапе генерированные носители заряда рекомбинируют на центрах рекомбинации. Выделяющаяся при рекомбинации энергия превращается либо в оп­тическое излучение, либо в теплоту. Как ясно из самого названия, инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оп­тического излучения на p-n переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и соб­ственно электролюминесценцию.

     При наличии контакта однородных полупроводников с разными типами электропровод­ности уровень Ферми F в равновесном состоянии должен быть единым. Это приводит к ис­кривлению зон и образованию потенциального барьера. Основная масса дырок из р-слоя, где их много, диффундирует слева направо в область перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер и, проникнув в переход на некото­рую глубину, снова возвращается в р-слой. Дырки n-слоя, как «пузырьки», легко «всплыва­ют» по дну валентной зоны независимо от энергии в р-слой и образуют дрейфовый поток справа налево. Этот поток уравновешивается встречным диффузионным потоком дырок р-слоя, имею­щих большую энергию и способных преодолеть потенциальный барьер. Аналогичная кар­тина в движении электронов: электроны р-слоя свободно скатываются в p-слой — это дрей­фовый ток. Этот электронный поток уравновешивается потоком электронов n -слоя, обладающих большой энергией. При приложении прямого напряжения потенциальный барьер понижается и появляются диффузионные токи как дырок, так и электронов, т.е. увеличива­ется инжекция неосновных носителей: дырок в n-область, электронов в p-область.

    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. Прямой переход — это переход электрона без изменения его импульса. Непрямой пере­ ход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или поглощаемого фотона. По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выпол­няться равенство

k_{e 2} = k_{e 1} ± k_ph                                                                               (2.1)

где k_{e 2} и k_{e 1} — начальный и конечный квазиимпульсы электрона соответственно; k_ph – импульс фотона. Поскольку импульс фотона мал по сравнению с квазиимпульсом электрона, для реализации непрямых переходов необходимо взаимо­действие электрона не только с фотоном, но и с третьей частицей: фононом, примесным атомом, а также с дисло­кацией и другими дефектами кристалла.

    Вероятность непрямых переходов обычно на два-три порядка меньше вероятностей прямых оптических переходов, поэтому край собственного поглощения прямозонных полупроводников определяется главным образом прямыми переходами. Непрямые переходы формируют контур краевого поглощения в непрямо-зонных полупроводниках.

В непрямозонных полупроводниках вероятности межзонных переходов вблизи малы, поэтому излучательная рекомендация также маловероятна. Однако в непрямозонных полупроводниках генерация излучения может быть получена при переходах между подзонами одной и той же зоны, например между подзонами легких и тяжелых дырок в p-Ge.

    Выход люминесценции определяют как отношение скорости излучательной рекомбинации к полной скорости рекомбинации. Наибольший выход люминесценции получен в прямозонном полупроводнике GaAs при 20°K h» 40%, при комнатной температуре выход не превышает 10%.

 

                    

Рис. 2.3. Непрямой переход в непрямозонном полупроводнике (а) и прямой переход в прямозонном однодолинном полупроводнике (б)