ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Прямозонные и непрямозонные полупроводники

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 (рис. 2.15, о). Импульс электрона Ръ равен произведению его массы тэ на скорость движения Р=тУ. (2.70)

А б

Рис. 2.15. Зависимость энергии электрона от импульса для прямых (а) и непрямых (б) переходов электронов

Прямой переход — это переход электрона без изменения его импульса. Непрямой пере­ход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или поглощаемого фотона.

По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выпол­няться равенство

Р31 = Р,2±кф, (2.71)

Где Рм и Ръ2 — начальный и конечный импульсы электрона соответственно; к$ — импульс фотона.

Так как скорость движения фотона равна скорости света, то к$ = /ЯфС0, где масса фотона /Яф связана с длиной волны соотношением Бройля (де Брольи)

7Яф=Л/(Хс) (2.72)

Тогда импульс фотона

К^=тф=Иу/с«Е2/с, (2.73)

Где £ч — ширина запрещенной зоны.

Для Е3 я 1 эВ имеем кф « Рэ2, т. е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом переходе (Рэ | « Рз2), что соответствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны Ев и минимумом зоны проводимости ЕП (см. рис. 2.15, о).

Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимо­сти с изменением импульса электрона (Р3 *■ Рэ2) — непрямые переходы. При этом в процес­се поглощения энергии, кроме фотона и электрона, должна участвовать еще третья частица,
которая заберет часть импульса на себя (рис. 2.15, 6). Закон сохранения импульса при не­прямых переходах имеет вид

Рл = Рл±к^±к, (2.74)

Где А— импульс третьей частицы (например, фотона).

Основные материалы полупроводниковых излучателей (ОаАв и тройные соединения на его основе — ОаА1АБ и ОаАвР) относятся к прямозонным полупроводникам, т. е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона. Каждая рекомбинация носи­теля заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона с длиной волны

Х = 1,24/£3, (2.75)

Где X — в мкм; Еъ — в эВ.

Таким образом, выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для любого электронного перехода, как и соблюдение закона сохранения энергии) при прямых переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полу­проводники являются эффективными люминесцентными материалами.

В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлии ОаР) минимум зоны про­водимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и, соответственно, часть энергии. Длина волны излучения при непрямых переходах получается больше. Тем не ме­нее излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа: сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а за­тем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы донор — акцептор (Тп - 0 ~) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в решетке ОаР).

Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводни­ках значительно сильнее, чем в непрямозонных.

В табл. 2.3 приведены материалы, используемые для изготовления полупроводниковых излучателей, и значения ширины запрещенной зоны Еъ для каждого материала.

Предпочтение в современных излучателях отдано полупроводникам с прямыми перехо­дами. Выбор ширины запрещенной зоны Еъ определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн.

Из выражения (2.74) имеем

£,=1,24/^. (2.76)

Следовательно, для работы в диапазоне видимого излучения (0,38...0,78 мкм) необхо­димы полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5...3,0 эВ. Это требование сразу исключает использование германия, кремния и других полупроводников, технология кото­рых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа АШВ их твердым растворам и др.

В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается обычно с помо­щью электролюминесценции. При электролюминесценции энергия возбуждения потребля­ется из электрического поля. Различают два вида электролюминесценции:

- инжекцгюнную, которая возникает в /?-«-переходе, находящемся под прямым напря­жением,

- предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых по­является электрический пробой ^-«-перехода.

Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная электролюминесценция.