CC BY
21Люминесценция в полупроводниках
Рустамжон Уктамович Сиддиков sidrus 1073 @mail.ru
Кокандский филиал Ташкентского государственного технического
университета имени Ислама Каримова
Аннотация: В статье приведены рассуждения о излучения и поглощения света в твердых телах и о явление люминесценции в полупроводниках.
Ключевые слова: полупроводник, люминесценция, рекомбинация, люминофор, уровень Ферми, спектр излучения
Luminescence in semiconductors
Rustamjon O'ktamovich Siddiqov sidrus 1073@mail. ru Kokand branch of Tashkent State Technical University
Abstract: The article presents arguments about the emission and absorption of light in solids and the phenomenon of luminescence in semiconductors.
Keywords: semiconductor, luminescence, recombination, phosphor, Fermi level, emission spectrum.
Физической основой излучения и поглощения света (электромагнитного излучения в видимом и близком к нему ультрафиолетовом и инфракрасном спектре) в твердых телах является рекомбинация и генерация неравновесных носителей, поскольку переходы электронов между состояниями происходят либо с испусканием, либо с поглощением квантов света. Для видимого и инфракрасного спектров излучения важны электронные переходы между валентной зоной и зоной проводимости. Электронные переходы между состояниями зоны проводимости и более глубоких энергетических зон в твердых телах сопровождаются поглощением или испусканием квантов в рентгеновском диапазоне спектра.
Процессы, приводящие к рекомбинационному излучению в полупроводниках, как правило, представляют собой совокупность нескольких явлений. Возникновение неравновесных носителей под воздействием возбуждения может сопровождаться диффузией носителей заряда, дрейфом их в
электрическом поле, захватом на ловушки и т.д. Явление рекомбинационного излучения в полупроводниках получило название люминесценции.
При люминесценции каждый из актов возбуждения и излучения разделен промежуточными процессами, что приводит к конечным значениям длительности послесвечения. Для большинства твердых тел люминесцентные свойства выражены очень слабо. Легирование вещества специальными примесями с целью повышения эффективности люминесценции называется активацией, а сами примеси - активаторами люминесценции. Активированные диэлектрики, обладающие высокой эффективностью люминесценции в видимой области спектра, называются кристаллофосфорами или люминофорами. Элементарными процессами, обусловливающими люминесценцию в таких веществах, обычно являются внутрицентровые оптические переходы, т.е. электронные переходы между энергетическими уровнями, принадлежащими иону (или атому) активатора. Такую люминесценцию иногда называют мономолекулярной.
Рассмотрим процессы, определяющие люминесценцию полупроводников. Их особенностью является то, что возбужденные носители заряда могут быть как свободными, т.е. находиться в разрешенных зонах, так и связанными, т. е. локализованными на дефектах (в том числе на примесях). После того как в полупроводнике тем или иным путем созданы неравновесные носители заряда, в большинстве случаев довольно быстро (за 10-11 - 10-13 с) устанавливается квазиравновесие отдельно в валентной зоне и в зоне проводимости. Неравновесные носители за очень короткий промежуток времени приобретают температуру, равную температуре решетки, и большую часть времени свободного существования в зоне проводят в состояниях, не отличающихся от равновесных.
Таким образом, в первом приближении можно считать, что генерация неравновесных носителей приводит лишь к изменению концентрации свободных носителей заряда, в то время как распределение этих носителей по энергии в зонах и средняя кинетическая энергия частиц остаются неизменными. При этом распределение неравновесных носителей заряда по энергии в каждой из зон можно характеризовать, как и для равновесного состояния, функцией Ферми -Дирака, однако с несколько иными значениями входящих в неё параметров.
Напомним, что статистика Ферми - Дирака справедлива лишь для термодинамически равновесных систем. Для неравновесных систем с нормальным распределением частиц по состояниям в каждой из зон используют функцию Ферми - Дирака, в которой энергия Ферми заменяется величиной F* называемой квазиуровнем Ферми.
В отличие от равновесного состояния положения квазиуровней Ферми для электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне различны и
обозначаются Гп и Р, соответственно. Тогда распределение носителей заряда и их концентрации в каждой из зон можно выразить соотношениями:
Г =_1_ / =_1_
•У п „ и Р
J7 _ 77 Еп Fn
kT
F — E F p E p
kT
е +1; е кТ +1. (1а)
Если распределение носителей в каждой из зон невырождено, то вместо распределения Ферми можно записать распределение Больцмана. Тогда
n = Nce
Ec Fn
kT
F - E
1 p Ev
kT
; Р = . (1б)
Здесь Еп и Ер - энергии электронов и дырок в зонах, отсчитанных от дна зоны проводимости Ес и потолка валентной зоны Еу , соответственно; /п и /р -функции распределения Ферми-Дирака.
Физический смысл введенных квазиуровней Ферми для электронов и дырок
г-*
Г г
поясняет рис. 1. Естественно, что положения квазиуровней Ферми п и Р зависят от интенсивности возбуждения. В отсутствие возбуждения квазиуровни Ферми для электронов и дырок совпадают и их положение определяется обычным уровнем Ферми. С увеличением интенсивности возбуждения возрастает концентрация неравновесных носителей заряда в каждой из зон, а, следовательно, расстояние между квазиуровнями Ферми.
Строго говоря, квазиуровень Ферми характеризует заполнение энергетических уровней, лежащих только между ним и границей соответствующей зоны. Заполнение уровней, распределенных между ними, устанавливается процессами рекомбинации.
Рис. 1. Распределение носителей заряда по энергии: а- в равновесном состоянии; б - в неравновесном состоянии при наличия возбуждения
Люминесценция в полупроводниках может быть обусловлена различными по своей природе электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости. В зависимости от начального и конечного состояния различают семь типов переходов:
А - межзонные переходы, т.е. переходы электронов между состояниями, расположенными в зоне проводимости и запрещенной зоне;
В - внутризонные переходы, т. е. переходы электронов между состояниями, расположенными только в зоне проводимости или только в запрещенной зоне;
С - переходы между примесными состояниями, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне;
Э - переходы между примесными состояниями и состояниями для электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне;
Е - переходы с участием экситонов, т.е. переходы электронов между экситонным состоянием и состояниями, расположенными в валентной зоне, или для связанных экситонов с состояниями, расположенными в запрещенной зоне;
I - внутрицентровые излучательные переходы, т.е. электронные переходы между двумя энергетическими уровнями, принадлежащими одному центру (рис. 2.).
Рис. 2. Схематическое изображение процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при различных механизмах рекомбинации Для оптоэлектронных устройств наиболее важными являются оптические переходы типа A, типа E и типа D. Межзонные переходы типа A обуславливают наиболее сильное поглощение или испускание света, с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны: Иш > Её. Эти оптические переходы также называют фундаментальными.
Поскольку процессы испускания и поглощения фотона определяются аналогичными электронными переходами, каждому из процессов излучательной рекомбинации можно сопоставить такой же процесс оптического поглощения.
Отметим особенности указанных выше наиболее важных для оптоэлектроники механизмов люминесценции.
Переходы типа A - собственная излучательная рекомбинация зона-зона соответствует случаю, когда свободные электрон и дырка непосредственно рекомбинируют друг с другом. Она доминирует в том случае, когда концентрации свободных электронов и дырок велики, что имеет место в узкозонных материалах. В зависимости от энергетического расстояния между зонами излучательная рекомбинация наблюдается от инфракрасной до рентгеновской области спектра, включая видимую и ультрафиолетовую области.
Переходы типа E - излучательная рекомбинация свободных экситонов. Экситон представляет собой связанное состояние электрона и дырки, возникающее в результате кулоновского притяжения их друг к другу. Образовав экситон, электроне и дырка движутся по кристаллу как единое целое. Вероятность излучательной рекомбинации через экситонные состояния оказывается выше вероятности переходов зона-зона.
Излучательная рекомбинация связанных экситонов возникает в случае, кода пара электрон-дырка перед рекомбинацией связывается на примесном центре (или на другом дефекте), а последующий излучательный переход происходит как переход центра из возбужденного состояния в равновесное. Такой механизм излучательной рекомбинации может быть достаточно эффективен. Он особенно важен в полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон, поскольку вероятность излучательной рекомбинации через такой центр существенно больше вероятности межзонных переходов.
Переходы типа D - излучательные рекомбинация свободных носителей заряда на связанных состояниях. Излучательная рекомбинация зона-примесь (или примесь-зона) вызвана переходами носителей из одной энергетической зоны на примесные уровни вблизи противоположной зоны. Такие переходы наиболее эффективны в полупроводниках с прямой структурой зон, содержащих примеси. В кристаллах арсенида галлия они совместно с межзонными переходами обеспечивают внутренний квантовый выход люминесценции при комнатной температуре, близкий к единице.
Локальные центры, участвующие в рекомбинаыции, называются рекомбинационными центрами или ловушками рекомбинации. Чаще всего в качестве таких центров выступают примесные состояния, и поэтому такая рекомбинация получила называние примесной рекомбинации. Очевидно, переходы Э на рис 1.8 эквивалентны. Схемы переходов Э описывают рекомбинацию элекипрнно-дырочной пары, когда один из носителей заряда в этой паре свободен, а другой связан на локальном рекомбинационном центре.
Интенсивность излучательных примесных переходовт зависит не только от концентрации примесей, с помощью которой идут излучательные переходы, но и от заполнения этих и соседних с ними уровней примесных состояний в запрещенной зоне. Заполнение же примесных состояний определяется положением уровня Ферми в запрещенной зоне полувпроводника. Изменяя положение уровня Ферми с помощью введения дополнительной легирующих примесей, можно влиять на интенсивность примесных излучательных переходов.
Использованная литература
1. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высш. школа, 2001.
2. Звелто О. Принципы лазеров. СПб.: Изд-во «Лань», 2008.
3. Киселев Г.Л. Квантовая и оптическая электроника. СПб.: Изд-во «Лань», 2011.
4. Сиддикрв, Р. У. (2021). СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОТОРЕЗИСТИВНЫХ И ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК ХАЛЬКОГЕНИДОВ КАДМИЯ. Science and Education, 2(3), 221-225.
