2.2.2.  Прямозонные и непрямозонные полупроводники

На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов:

· зона – зона;

· зона – примесный уровень;

· 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. 2.4). Импульс электрона () равен произ­ведению его массы () на скорость движения (v):

.

Прямой переход – это переход электрона без изменения импульса электрона. 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:

,

где  и  – соответственно начальный и конечный импульсы элек­трона;  – импульс фотона.

Так как скорость движения фотона равна скорости света, то

,

где масса фотона () связана с длиной волны соотношением Де-Бройля:

.

Тогда импульс фотона равен:

,

где  – ширина запрещенной зоны.

Для  эВ имеем , т.е. импульс электрона можно считать неизменным при прямом переходе (), что соответ­ствует переходу по вертикали между максимумом валентной зоны () и минимумом зоны проводимости () (рис. 2.4, а).

Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости или, наоборот, с изменением импульса электрона () – непрямые переходы. При этом в процессе поглощения или выделения энергии кроме фотона и электрона должна участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя (рис. 2.4, б). Закон сохранения им­пульса при непрямых переходах имеет вид:

.

где kимпульс третьей частицы (например, фонона).

Основные материалы полупроводниковых излучателей арсенид галлия (GaAs) и  тройные соединения на его основе (GaAlAs и GaAsP) 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, длина волны которого определяется из соотношения:

,                                                            (2.1)

где  – в измеряется микрометрах,  – в электрон-вольтах.

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 галлия (GaP), 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 вол
ны 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» (Zn+ – O-) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в ре­шетке GaP).

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

В табл. 2.1 приведены материалы, которые используются для из­готовления полупроводниковых излучателей; дано также значение ширины запрещенной зоны  для каждого материала. Как видно из табл. 2.1, предпочтение в современных излучателях отдано полу­проводникам с прямыми переходами. Выбор ширины запрещенной зоны  определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн.

Таблица 2.1

Материалы полупроводниковых излучателей

Тип

соединения

Полупроводник

Ширина запрещенной зоны , эВ

Характер разрешенного

межзонного пере­хода при k = 0

AIIIBV

GaAs

1,45

Прямой

GaP

2,25

Непрямой

AlAs

2,16

Непрямой

InAs

0,46

Прямой

GaSb

0,70

Прямой

InP

1,34

Прямой

AlP

2,42

-

GaN

3,50

-

AIIBVI

ZnSe

2,70

Прямой

ZnS

3,80

Прямой

ZnO

3,20

Прямой

ZnTe

2,30

Прямой

CdS

2,50

Прямой

CdSe

1,80

Прямой

CdTe

1,60

Прямой

AIVBIV

α-SiC

5,90

-

β-SiC

2,35

-

Кроме двойных (бинарных) соединений широко используются и твердые растворы – в основном тройные соединения, например: GaAlAs, GaAsP, InGaP и др. Структура формул тройных соединений показывает, атомы каких элементов замещают в кристаллической решетке друг друга. Значение ширины запрещенной зоны и структура энергетических зон твердых растворов зависят от соотношения компонентов в растворе.

Из выражения (2.1) имеем:

t_opt/pic22_2.gif>.

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 и кремния и других полупроводников, технология которых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа AIIIBV, 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:

1) инжекционную, которая возникает в р-п-переходе, находящем­ся под прямым напряжением;

2) предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых появляется электрический пробой р-п-перехода.

Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная электролюминесценция.