При будь-якій температурі понад абсолютного нуля в напівпровіднику відбуваються процеси генерації і рекомбінації носіїв і в результаті встановлюється рівноважні концентрації електронів і дірок n 0 = p0. Крім теплової генерації можливі і інші механізми появи носіїв зарядів: при опроміненні світлом, при впливі сильного електричного поля, механічних навантажень і ін. Дія таких зовнішніх факторів призводить до появи додаткових, нерівноважних носіїв заряду, концентрація яких є надмірною по відношенню до рівноважної: # 916; n = n - n 0; # 916; p = p - р 0. n і p - повні (нерівноважні) концентрації електронів і дірок, що виникають під дією температури та інших факторів. При генерації носіїв електрони переходять на більш високий енергетичний рівень, тому цей процес відбувається зі споживанням енергії, відповідно, процес рекомбінації відбувається з виділенням енергії так як носії переходять з більш високого на більш низький енергетичний рівень. Що стосується оптичних явищ в напівпровідниках, то остання обставина призводить до того, що напівпровідники можуть поглинати і виділяти світлову енергію в залежності від переважання одного над іншим процесів генерації і рекомбінації. Розглянемо ці процеси.
Поглинання світла. Світло, проникаючи в напівпровідник, вступає в обмінна (енергетичне) взаємодія з кристалічною решіткою. Нехай Р0 потужність падаючого на кристал світлового потоку. Світловий потік, проходячи через кристал, послаблюється внаслідок процесу поглощенія.Виделім в кристалі тонкий шар dx на відстані х від поверхні, на яку падає
світловий потік (рис. 3.8). У цьому шарі поглинається частина енергії падаючого світлового потоку dP = - # 945; W dx. тут # 945; - коефіцієнт поглинання. чисельно рівний відносного зміни потужності світлового потоку на одиницю шляху пройденого їм в кристалі (розмірність м - 1. см - 1). Поглинання випромінювання в напівпровідниках пов'язано зі зміною стану електронів, а також з
зміною коливальної енергії атомів решітки. У зв'язку з цим розрізняють кілька механізмів поглинання світла напівпровідниками. На рис. 3.9 наведені зонні діаграми, що ілюструють різні типи процесів поглинання світла.
Малюнок 3.9. Різні механізми поглинання світла напівпровідниками: - а) власне поглинання; - б) екситонів поглинання; - в), - г) домішкові поглинання.
Власне поглинання обумовлено переходами електронів з валентної зони в зону провідності, тобто енергія світла витрачається на збудження валентних електронів в зону провідності. Згідно із законом збереження енергії енергія фотона (ф) h # 965; повинна бути в цьому випадку не менше ширини забороненої зони # 916; W = Wc - Wv, тобто h # 965; ≥ # 916; W (Wc - дно зони провідності; Wv - стеля валентної зони; h # 965; - енергія фотона). Звідси максимальна длінаволни (червона межа) власного поглинання:
Переходи з валентної зони в зону провідності можуть бути прямими і непрямими. Розглянуті переходи є прямими, вони здійснюються під дією енергії фотона на електрон, що має такий же квазіімпульс (хвильової вектор), що і що залишається їм дірка. Якщо валентна зона і зона провідності мають складну структуру, то можуть виникнути непрямі переходи під спільною дією фотона і «порції» теплової енергії (фонона). Оскільки для здійснення непрямого переходу необхідна взаємодія не двох, а трьох частинок (електрона, фотона і фонона), то ймовірність їх менше ймовірності прямих переходів. Відповідно менше і показник поглинання.
Екситонів поглинання. У деяких напівпровідниках можливе утворення екситона - системи з взаємопов'язаних власними електростатичними полями електрона і дірки. Ексітон електрично нейтральний, може хаотично блукати по кристалу і при зіткненні з домішковими центрами може або утворити два заряду (електрон і дірку), або рекомбинировать і привести атом у нейтральне стан. Перше вимагає повідомлення екситонами теплової енергії, необхідної для перекладу електрона з екситонного рівня в зону провідності; другий супроводжується або випромінюванням кванта енергії, або найчастіше віддачею енергії екситона решітці напівпровідника у вигляді теплоти. Енергетичні рівні електрона, порушеної під дією фотона h # 965; і що входить до складу екситона, розташовуються в забороненій зоні трохи нижче дна зони провідності (див. рис. 3.9 - б), де Wе - екситонні рівні). Тому енергія освіти екситона дещо менше ширини забороненої зони, оскільки остання є енергетичний мінімум, необхідний для утворення пари вільних (і розділених) носіїв. Ця ж обставина призводить до того, що екситон поглинання зрушено в низькочастотну частину спектру в порівнянні з власним поглинанням.
Домішкові поглинання відбувається при іонізації домішкових атомів кристалічної решітки. При цьому енергія поглинаються фотонів світла витрачається або на перекидання електронів з донорних рівнів в зону провідності (рис. 3. 9 - в), або з валентної зони на акцепторні рівні (рис. 3 9 - г). Так як енергія іонізації домішок значно менше ширини забороненої зони, то домішкові поглинання зміщене від краю власного поглинання в далеку інфрачервону область і може спостерігатися при низьких температурах (нижче температури виснаження домішки), коли більшість атомів домішки трохи ионизована.
Як випливає з розгляду механізмів власного, екситонного і примесного виду поглинання, довжина хвилі світла, що поглинається визначається шириною енергетичного проміжку, подоланого електроном при впливі фотона. У зв'язку з цим у натуральному вираженні (3.9) замість ширини забороненої зони слід використовувати енергію # 916; Wе = Wе - Wv при Ексітоном поглинанні; # 916; Wд = Wс - Wд при поглинанні електронами донорних рівнів; # 916; Wа = Wа - Wv при порушенні акцепторних атомів.
При всіх видах поглинання світло в напівпровіднику виникають додаткові (нескомпенсовані) носії заряду і це призводить до зміни провідності напівпровідника. Зміна елетріческой провідності (питомого опору) під дією електромагнітного випромінювання називають фотопроводимостью (фоторезистивной ефектом). Фотопроводимость # 916; # 947; дорівнює різниці провідностей напівпровідника на світлі і в темряві:. де # 916; n і # 916; р - концентрації нерівноважних носіїв заряду, що виникають внаслідок оптичної генерації. Основні властивості напівпровідникової фотопроводимости:
- фотопровідність носить тимчасовий характер - після опромінення вона більш-менш швидко повертається до темнової;
- при впливі імпульсу світла фотопровідність зростає до сталого значення за експоненціальним законом;
- при слабких світлових потоках залежність фотопровідності від інтенсивності світла носить лінійний характер;
- спектральна залежність фотопровідності відповідає спектрами оптичного поглинання напівпровідника.
Випромінювання світла напівпровідниками супроводжується виділенням електромагнітної енергії випромінювання в оптичному діапазоні, що може відбуватися в процесі рекомбінації нерівноважних носіїв. Оскільки при рекомбінації можливе виділення і теплової енергії, то при створенні світловипромінюючих приладів необхідно створити умови, що забезпечують саме радіаційну рекомбінацію. Розрізняють декілька механізмів рекомбінації, принцип дії яких пояснює рис. 3.10.
Міжзонного. або пряма рекомбінація відбувається при переході вільного електрона із зони провідності на один з вільних рівнів валентної зони, що відповідає зникненню пари носіїв заряду - вільного електрона і дірки (рис. 3.10 - а). При цьому випромінюється фотон світла. Однак пряма рекомбінація малоймовірна, тому що для її здійснення необ -
Малюнок 3. 10. Зонні діаграми напівпровідника при випромінюванні світла: а) - пряма рекомбінація; б), в) - домішкові рекомбінації; г) - анігіляція екситона.
димо збіг в просторі положення дірки і електрона з однаковими і протилежно спрямованими імпульсами. Це призводить до того, що, наприклад, в Німеччині на 10 тисяч рекомбінації лише одна відбувається в результаті безпосереднього зникнення пари електрон - дірка.
Аналогічні процеси відбуваються і при зникненні екситона (рис. 3. 10 - г), проте, це найчастіше супроводжується випромінюванням фонона, який витрачається на нагрів кристалічної решітки.
Випромінювання світла може відбуватися і при рекомбінаційних процесах на домішкових рівнях (примесная рекомбінація): при переході електрона з зони провідності на акцепторні рівень (рис. 3.10 - б) або з донорного рівня в зону провідності (рис. 3.10 - в). Строго кажучи рис. 3.10 пояснює лише частина процесу рекомбінаційного випромінювання з використанням домішкових рівнів. Домішкові рівні є окремим випадком так називаються -
ваемих рекомбінаційних пасток рекомбінаційно пастками називаються домішки і дефекти (домішкові атоми або іони, різні включення, незаповнені вузли в решітці і ін.), що створюють свої рівні в забороненій
Малюнок 3.11. Механізм рекомбінації за участю пасток: а), б) - донорний і акцепторні рівні в якості пасток; схеми розташування пасток захоплення ЛЗ і рекомбінаційних пасток РЛ для р - напівпровідника (- а) і n - напівпровідника (- б).
зоні напівпровідника. Рекомбінація за допомогою пасток відбувається в два етапи - 1 - захоплення електрона з зони провідності на вільний рівень пастки (рис. 3.11 - а) і другий етап - 2 - перехід електрона на вільний рівень в валентної зоні. На рівні пастки електрон буде перебувати до тих пір, поки до нього не підійде дірка, тобто етапи 1 і 2 можуть відокремлювати різні проміжки часу. Якщо в початковому стані рівень пастки зайнятий електроном (рис.3.11 - б), то на першому етапі відбудеться захоплення дірки з валентної зони (тобто електрон перейде на вільне стан у валентній зоні), а на другому пастка прийме електрон із зони провідності . В результаті послідовних переходів 1 і 2 відбудеться зникнення пари носіїв заряду і в разі а) і в разі б). Такий двоступінчастий процес більш ймовірний, ніж безпосередня рекомбінація за участю домішкових рівнів (рис. 3.10 - а) і - б)), тому що він не вимагає одночасної присутності в одній точці простору електрона і дірки.
Крім рекомбінаційних пасток в забороненій зоні напівпровідника можуть існувати рівні, які захоплюють носії тільки одного знака - так звані пастки захоплення. Носій заряду, що знаходиться на такому рівні, через деякий час звільняється і знову може брати участь в процесі електропровідності. Характерною особливістю пасток захоплення є їх взаємодія тільки з однієї зоною - провідності або валентної. Нерівноважні носії заряду, переходячи на дрібні рівні пасток захоплення на деякий час вибувають з процесу рекомбінації. Тому наявність пасток захоплення зменшує швидкість рекомбінації, так як зменшується кількість переходів носіїв заряду на рівні рекомбінаційних пасток.
В процесі рекомбінації звільняється енергія, яка або випромінюється у вигляді фотона (випромінювальна рекомбінація), або передається кристалічній решітці у вигляді фонона (безизлучательним рекомбінація - фононний). Для побудови світловипромінюючих напівпровідникових приладів використовують і міжзонного рекомбінацію (напівпровідники з вузькою забороненою зоною), і рекомбінацію через домішкові рівні (широкозонні напівпровідники), причому досягнення високої досконалості структури кристала, зниження залишкових домішок дозволяє досягти високих значень частини випромінювальних рекомбінацій - більше 80% від загального числа рекомбінації.
У всіх випадках випромінювальної рекомбінації довжина хвилі випромінюваного світла визначається, як і при поглинанні світла, шириною енергетичного проміжку між початковим і кінцевим рівнями, займаних носіями (див. Вираз 3.9).