Optikai jelenségek félvezetők
Bármely hőmérsékleten az abszolút nulla fordulnak elő a félvezető folyamatok generációs és rekombinációs hordozók, és a kapott megkötött egyensúlyi koncentrációinak az elektronok és a lyukak n 0 = p0. Amellett, hogy a hőfejlődés és a más mechanizmusok is lehetségesek előfordulása töltéshordozók :. fénnyel besugározva, ha ki vannak téve, hogy egy erős elektromos tér, a mechanikai feszültségek, stb A fellépés ilyen külső tényezők ad okot, hogy további, nem-egyensúlyi töltéshordozók koncentrációja, amely túlzott mértékű az egyensúlyi: # 916; n = n - n 0; # 916; p = p - p 0. n, és p - a teljes (nem-egyensúlyi) koncentrációja elektronok és a lyukak eredő hatására a hőmérséklet és más tényezők. Amikor generáló a hordozó elektronok léphet magasabb energia szintjét, hogy ez a folyamat az energiafogyasztás, illetve rekombináció történik az energia kiadás, mert hordozók át egy magasabb egy alacsonyabb energia szinten. Ami az optikai jelenségek a félvezetők, az utóbbi körülmény vezet az a tény, hogy a félvezetők képesek elnyelni és fényt bocsátanak ki energiát függően túlsúlya egyik vagy a másik folyamatok generálása és rekombináció. Tekintsük ezeket a folyamatokat.
Elnyelt fény. Behatoló fény a félvezető belép a csere (energia) kölcsönhatás a kristályrácsban. Hagyja P0 teljesítmény incidens a kristály fény. A fényáram áthaladó kristály legyengített miatt pogloscheniya.Vydelim folyamat egy kristály vékonyréteg dx át x távolságban a felület, amelyen a csepp
fényáram (ábra. 3.8). Ez a réteg felszívódik része a beeső fényáram energia dP = - # 945; W DX. itt # 945; - abszorpciós együttható. számszerűen egyenlő a relatív változás a fényáram egységnyi által megtett távolság őket a kristály (a dimenzió m - 1 cm - 1). Elnyelt sugárzás a félvezetők társított változása az elektron állapotban, és
változik a rezgési energiát a rács atomok. Ebben a tekintetben számos mechanizmus elnyelt fény félvezetők. Ábra. 3.9 ábra sáv diagramok, amelyek mutatják a különböző típusú fény abszorpciós folyamatokkal.
Ábra 3.9. Különböző mechanizmusok fényabszorpció félvezetők: - a) saját felszívódását; - b) exciton abszorpciós; - c) - g) szennyező felszívódását.
Intrinsic abszorpciós miatt elektron átmenetek a vegyértéksáv a vezetési sávban, azaz fény elfogyasztott energia a gerjesztés a vegyérték elektronok a vezetési sávban. A törvény szerint az energiamegmaradás a foton energia (f) h # 965; kell lennie ebben az esetben nem lehet kevesebb, mint a szélessége tiltott sávban # 916; W = Wc - Wv, azaz a h # 965; ≥ # 916; W (Wc - az alján a vezetési sáv; Wv - vegyértéksáv; h # 965; - a fotonenergia). Ezért a maximális dlinavolny (piros határ) intrinsic abszorpciós:
Az átmenet vegyértékelektronját a vezetési sávban lehet közvetlen vagy közvetett. A fenti átmenetek egyenes, ők végzik hatása alatt a foton energia az elektron, amelynek kristályszerkezete azonos lendületet (hullám vektor), amely elhagyja őket lyuk. Ha a vegyérték és a vezetési sávok van egy bonyolult szerkezet, ez lehet közvetett átmenetek alatt kombinált akció egy foton és a „rész” a hőenergia (a fonon). Mivel a közvetett átmenet van szükség a kölcsönhatás nem két, és három részecske (elektron, foton és fonon), annál kevésbé valószínű, a valószínűsége a közvetlen átmenetek. Ennek megfelelően, a kisebb és az abszorpciós együttható.
Exciton felszívódását. Egyes félvezetők, a kialakulása egy exciton - egy olyan rendszer összekapcsolt saját elektrosztatikus mezők és elektronlyuk. Egy exciton elektromosan semleges, lehet vándorolni véletlenszerűen egész kristály és az ütközés bármely szennyeződést központok képezhet két töltés (elektron és a lyuk), vagy a rekombinációs és az eredmény egy semleges atom állapotban. Az első üzenet igényel exciton szükséges hőenergiát elektron transzfer a exciton szinten a vezetési sávban; majd a második kvantum energia, vagy sugárzás, vagy gyakrabban az ütközési energiát exciton félvezető rács a hő formájában. Az energia szintjét az elektron, foton izgatott az intézkedés alapján h # 965; és a készítmény a exciton, található, a tiltott sávban kissé alja alatt a vezetési sáv (lásd a Ábra 3.9 - .. b), ahol - exciton szintek). Ezért, az energia a exciton képződésének valamivel kisebb, mint a szélessége a tiltott sávban, mivel ez utóbbi jelenti a minimális energia, hogy egy pár szabad (és elválasztjuk) hordozók. Ugyanaz a körülmény vezet az a tény, hogy a exciton abszorpciós tolódik az alacsony frekvenciás része a spektrum, mint a belső felszívódását.
Szennyeződés felszívódás történik az ionizációs a szennyező atomok a kristályrácsban. Az energia az abszorbeált fény foton vagy dobás kiégett elektronok donor szint a vezetési sávban (ábra 9 3 -. C), vagy a vegyérték sáv, hogy az akceptor szint (3. ábra 9 -. R). Mivel az energia ionizációs szennyeződések lényegesen kisebb, mint a szélessége a tiltott sávban, a szennyező abszorpciós eltolódik az alapvető abszorpciós él a távoli infravörös tartományban, és megfigyelhető alacsony hőmérsékleten (az alábbi szennyező kimerülése hőmérséklet), amikor a legtöbb a szennyező atomok ionizálódik.
Mint látható vizsgálatából saját mechanizmusok, valamint a exciton abszorpciós típusú szennyeződés, a hullámhossz az elnyelt fény szélessége határozza meg az energia különbség felette elektron hatása a foton. Ebben a tekintetben, az expressziós (3.9) helyett a gerjesztési energia felhasználása # 916; Mi = Mi - Wv az exciton felszívódását; # 916; Wd = Wc - Wd elektronok abszorpciója után a donor szintek; # 916; Wa = Wa - Wv gerjesztés hatására a akceptor atom.
Mindenféle fényt elnyelő a félvezetők, vannak-e további (nem kompenzált) töltéshordozók és ez vezet a változást vezetőképessége a félvezető. Változás, elektromos vezetőképesség (ellenállás) hatása alatt az elektromágneses sugárzás nevezik fényvezető (fényelektromos hatás). fényvezető képesség # 916; # 947; megegyezik a különbség a vezetőképesség a félvezető a fény és a sötétség. ahol # 916; n, és # 916, p - a koncentráció a nem-egyensúlyi töltéshordozók eredő optikai generáció. Az alapvető tulajdonságait félvezető fényvezető
- fényvezető átmeneti - a besugárzás után, akkor többé-kevésbé gyorsan visszatér a sötétben;
- kitéve a fényimpulzus fényvezető növeljük, egy állandósult értéken exponenciálisan;
- ha gyenge fényáram függését a fényvezető a fény intenzitása lineáris;
- a spektrális függését a fényvezető spektrumok megfelelő optikai abszorpciós a félvezető.
Semiconductors fénykibocsátás kíséri az energia felszabadítását az elektromágneses sugárzás az optikai tartományban, ami előfordulhat a rekombinációs az egyensúlyi hordozók. Mivel a rekombináció lehet engedni, és hőenergiát, hogy hozzon létre fénykibocsátó eszköz szükséges feltételek megteremtésére, amelyek biztosítják, hogy a sugárzási rekombináció. Számos mechanizmus rekombináció, amelynek a működését ábrán látható. 3.10.
Interband. vagy közvetlen rekombináció történik az átmenet a szabad elektronok a vezetési sávban az egyik szabad szintek a vegyérték sáv, amely megfelel az eltűnését a pár hordozók - egy szabad elektron és egy lyuk (3.10 ábra -. a). Ebben az esetben, a kibocsátott fény foton. Ugyanakkor a közvetlen rekombináció nem valószínű, mert a végrehajtás req -
10. ábra: 3. zóna félvezető fénysugárzás diagram, ha: a) - egyenes rekombináció; b), c) - szennyező rekombináció; g) - exciton megsemmisülés.
Dimo mérkőzés a térben a lyuk és az elektron helyzetben azonos és ellentétes impulzusokkal. Ez vezet az a tény, hogy például Németországban 10 tysyach egyetlen rekombináció történik közvetlen eltűnése pár elektron - lyuk.
Hasonló folyamatok lépnek fel eltűnése exciton (3. ábra 10 -. R), azonban ez gyakran kíséri emisszió egy fonon, amely fordított fűtés a kristályrácsban.
Fényemisszió is előfordulhat rekombinációs folyamatok és szennyezési szintek (szennyező rekombináció) való átmenetnél egy elektron a vezetési sávban, hogy az akceptor szint (3.10 ábra - b.) Vagy donor szinten a vezetési sávban (ábra 3.10 - in.). Szigorúan véve ábra. 3.10 magyarázza csak egy része a rekombinációs sugárzás folyamatot koncentrációban tartalmaz szennyeződést. Szennyezőanyag-koncentráció egy speciális esete az ún -
Vai rekombinációs rekombinációs csapdákat csapdákat és hibák nevezett szennyező (szennyező atomok vagy ionok, különböző zárványok, töltetlen csomópont a rács, és mások.), Ami a szint a tiltott
Ábra 3.11. A mechanizmus a magában foglaló rekombinációs csapdák: a) és b) - a donor és akceptor szintet egy olyan csapda; befogó csapdák elrendezés LZ radar csapdák és rekombináció p - félvezető (-) és n - félvezető (- b).
félvezető. A rekombináció útján csapdák fordul elő két fázisban - 1 - elfog egy elektront a vezetési sáv, hogy csapdába szabad szinten (3.11 ábra -. A) és egy második lépésben - 2 - átmenetét egy elektron a szabad szinten a vegyérték sáv. Szinten elektron csapdák lesz mindaddig, amíg nem illeszkedik a lyukba, azaz 1. és 2. lépés lehet szétválasztani különböző időközönként. Ezután az első lépésben fog bekövetkezni fogást lyukak a vegyérték sáv (azaz, az elektron kapcsoló szabad állapotban a vegyérték sáv), és a második csapda fogadja egy elektront a vezetési sáv - Ha a kiindulási állapotban által elfoglalt egy elektron csapdával szinten (3.11 ábra b) . Ennek eredményeként az egymást követő átmenetek az 1. és 2. történni eltűnése párok töltéshordozók esetében az a) és b) esetben. Ez a kétlépéses folyamat sokkal valószínűbb, mint a közvetlen rekombináció szennyezési szintek (3.10 ábra -. A) és - b)), mert nem igényel egyidejű jelenléte egy pontban a tér az elektron és a lyuk.
További rekombináció csapdák A tiltott sávban a félvezető létezhet szintet, hogy a rögzítés hordozók csak egy karakter - az úgynevezett befogó csapdákat. hordozó található egy szinten egy bizonyos idő után szabadult, és ismét részt vesz a folyamatban a vezetőképesség. A jellemző a befogó csapdák azok kölcsönhatása csak egy zóna - a vezetési vagy vegyérték. Nem egyensúlyi töltéshordozók, mozgó kis szintek a csapdák egy ideig kiesik a rekombinációs folyamat alatt. Ezért a jelenléte a rögzítés csapdák csökkenti a rekombináció üteme csökken, mivel az átmenetek száma töltéshordozók a rekombináció szinten csapdákat.
A felszabaduló energia a rekombinációs amelyek vagy kibocsátott, mint egy foton (sugárzásos rekombináció) vagy továbbított formájában kristályrács fonon (nonradiative rekombináció - fonon). Az építési fénykibocsátó félvezető eszközök használnak és interband rekombináció (félvezető keskeny tiltott területre), és a rekombináció révén szennyezési szintek (széles rés félvezetők), elérésével magas tökéletes a kristályszerkezet, csökkentése a maradék szennyeződések, biztosítja a magas rész sugárzási rekombinációk - több mint 80% -át száma rekombináció.
Minden esetben, a sugárzásos rekombináció a hullámhossz a kibocsátott fény úgy definiáljuk, mint az elnyelt fény, szélessége az energia közötti különbség a kezdeti és végső szintje elfoglalt hordozók (lásd. Az expressziós 3.9).