Люмінесценцією називається електромагнітне нетепловое випромінювання, що володіє тривалістю, що значно перевищує період світлових коливань.
Для виникнення люмінесценції в напівпровіднику атоми напівпровідника повинні бути виведені зі стану термодинамічної рівноваги, тобто порушено. Вони можуть бути переведені в збуджений стан електричним полем - електролюмінесценція, бомбардуванням напівпровідника електронами - катодолюмінесценція, освітленням - фотолюмінісценція. При люмінесценції акти поглинання енергії полупроводником і випромінювання квантів світла розділені в часі.
Випромінювання квантів світла з напівпровідника може відбуватися в результаті переходу електрона на більш низький енергетичний рівень при міжзонної рекомбінації або при рекомбінації за участю рекомбінаційних пасток.
Випромінювальна рекомбінація носіїв заряду може статися без електромагнітного впливу, тобто мимовільно. Така рекомбінація називається спонтанною. Акти спонтанного випромінювання відбуваються незалежно один від одного в різні моменти часу. Тому спонтанне випромінювання некогерентно.
Перехід електрона на більш низький енергетичний рівень з випромінюванням кванта світла, що стався з допомогою електромагнітного впливу, називається вимушеною або стимульованої рекомбинацией.
Вимушене випромінювання відбувається в тому ж напрямку, що і викликало його випромінювання, в одній і тій же фазі і з однаковою поляризацією. Вимушене випромінювання є когерентним.
На практиці найбільшого поширення набула електролюмінесценція. На основі цього явища працюють випромінювачі, тобто прилади, що перетворюють електричну енергію збудження в енергію оптичного випромінювання заданого спектрального складу і просторового розподілу. Когерентні - інжекційні лазери і некогерентні - світловипромінюючі діоди.
Специфічні вимоги до випромінювачів, наприклад, для світлодіодів - робота в видимому діапазоні 400 ... 700 нм, висока яскравість, визначають вимоги до напівпровідникових матеріалів для їх виготовлення.
Міжзонного рекомбінація найбільш імовірна в прямозоні напівпровідниках, типовими представниками яких, крім GaAs, є InAs, InSb, GaSb, деякі склади твердих розчинів Інтерметалл, такі як GaAlAs, GaAsP, InGaAsP, більшість з'єднань типу А 2 В 6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe), а також ряд інших бінарних сполук - PbS, PbSe, PbTe.
Імовірність випромінювальної рекомбінації, дуже низька в непрямозонних напівпровідниках, може різко зрости при утворенні в них рекомбінаційних пасток. В GaP, наприклад, такі пастки утворюються шляхом легування кристала азотом (при цьому атом N заміщає в решітці атом Р) або одночасно киснем і цинком (атоми О і Zn заміщають атоми P і Ga, відповідно).
Спектральний склад оптичного випромінювання визначається шириною забороненої зони в прямозоні напівпровідниках і енергетичним рівнем пасток в непрямозонних.
Фоторезістівний ефект - це зміна електричного опору напівпровідника, обумовлене виключно дією оптичного випромінювання і не пов'язане з його нагріванням.
Для виникнення фоторезистивной ефекту необхідно, щоб в напівпровіднику відбувалося або власне поглинання оптичного випромінювання з утворенням нових пар носіїв заряду, або домішкові поглинання з утворенням носіїв одного знака.
В результаті збільшення концентрації носіїв заряду зменшується опір напівпровідника.
Надмірну концентрацію носіїв заряду, наприклад, електронів можна визначити наступним чином:
,
де R - коефіцієнт відбиття фотонів від напівпровідника, - показник поглинання, - квантова ефективність генерації, NФ - кількість фотонів, що падають на одиничну поверхню в одиницю часу, - час життя нерівноважних носіїв заряду.
ЕРС в напівпровіднику
Якщо на однорідний напівпровідник впливати оптичним випромінюванням, то в його поверхневому шарі виникає надмірна концентрація електронів і дірок, які будуть дифундувати в глибину напівпровідника.
Коефіцієнт дифузії електронів значно більше коефіцієнта дифузії дірок. Тому при дифузії електрони випереджають дірки. Відбувається деяке поділ зарядів - поверхню напівпровідника набуває позитивний заряд, а обсяг заряджається негативно. Таким чином, в напівпровіднику при його освітленні виникає електричне поле або електрорушійна сила (ЕРС), яку іноді називають ЕРС Дембера.
Напруженість електричного поля можна визначити за допомогою наступного виразу:
,
де Dn. Dp - коефіцієнти дифузії електронів і дірок, grad (p) - градієнт концентрації дірок.