4.4.   Фотолюминесценция

В полупроводниках, подвергающихся действию света, возникает наряду с другими явлениями испускание электромагнитного излу­чения, называемое люминесценцией. Оно представляет собой избы­точное неравновесное излучение, обладающее конечной длитель­ностью, значительно превышающей период световых колебаний. При этом акты поглощения и излучения света разделены между собой промежуточными процессами, обеспечивающими послесвече­ние. Люминесценцию, происходящую только в течение процесса возбуждения, называют флуоресценцией, а продолжающуюся ка­кое-то время после снятия возбуждения – фосфоресценцией.

Вещества, способные люминесцировать, называют люминофора­ми, кристаллофосфорами, или просто фосфорами; фосфоры со вре­менем высвечивания менее 10 -8 с относят к флуоресцирующим, все остальные – к фосфоресцирующим.

Люминесценция, как показывают эксперименты, связана с де­фектами кристаллической структуры, что позволяет объяснить ме­ханизм этого явления с помощью зонной теории. Процесс люми­несценции рассматривают в виде трех стадий:

1) поглощения энергии бомбардирующего фотона;

2) переноса и накопления энергии;

3) преобра­зования накопленной энергии в видимый свет.

Поглощение света кристаллом приводит к возбуждению электронов (переходу их в зону проводимости) как из валентной зоны, так и с локальных уровней активатора – примеси, вводимой при изготовлении люминофора. Дырки, образовавшиеся в валентной зоне, заполняются электронами также с уровней активатора.

Таким образом, переход электронов с уровней активатора в ва­лентную зону или в зону проводимости приводит к образованию вакантных возбужденных уровней активатора. На возбужденные уровни переходит часть электронов из зоны проводимости, испу­ская при этом фотоны, т.е. происходит фотонная рекомбинация. Воз­никает кратковременное излучение, происходящее при любой тем­пературе.

Остальные электроны, возбужденные в зону проводимости, «при­липают» на ловушках захвата. Непосредственный переход с лову­шек захвата на уровни активатора исключается, для этого элект­ронам нужно предварительно «освободиться», т.е. перейти в зону проводимости. Энергия на это может быть получена от тепловых колебаний решетки. Освобожденные электроны могут перейти на уровень активатора либо сразу, либо после ряда переходов на уров­ни ловушек.

Уровни активатора называют центрами люминесценции. Фото­ны, испускаемые при переходе свободных электронов на вакантные уровни активатора, обладают энергией, равной разности энергий электрона в зоне проводимости и на центре люминесценции. Время

послесвечения определяется температурой люминофора и может быть значительным. Действительно, при небольшой энергии тепло­вых колебаний кристаллической решетки электроны, попавшие в ловушки, могут находиться на их уровнях сколь угодно долго, а при повышении температуры кристалла увеличивается число пере­ходов в зону проводимости, что приводит к росту числа переходов на центры люминесценции.

Цвет излучения, испускаемого центром люминесценции, зависит от рода активатора. Роль активатора могут выполнять не только атомы примеси, но и избыточные атомы самого люминофора. Во всех случаях люминесценции длина волны излучаемого> света боль­ше длины волны поглощаемого, т.е. излучаемая энергия меньше поглощаемой (закон Стокса). Разность между этими двумя зна­чениями энергии называют «сдвигом Франка – Кондона».

Практическое применение люминесценции весьма разнообраз­но. С помощью кристаллофосфора можно преобразовать невидимое излучение в видимый свет:

· в лампах «дневного света» ультрафио­летовое излучение электрического разряда в парах ртути превра­щается в видимый свет, цвет которого можно подбирать выбором фосфоров, покрывающих внутренние стенки лампы (электролюми­несценция);

· рентгеновское излучение преобразуется в видимый свет на экранах рентгеноустановок (рентгенолюминесценция);

· в счет­чиках элементарных частиц и специальных приборах радиоактив­ное излучение делается «видимым» тоже с помощью кристаллофосфоров (радиолюминесценция);

· в электронно-лучевых трубках и в электронных микроскопах бомбардируют фосфоры потоком быстрых электронов, получая видимое изображение (катодолюми-несценция).

>Возбуждение может происходить в веществе в резуль­тате механического воздействия (триболюминесценция), а также при протекании химических и биологических процессов (хемолюминесценция и биолюминесценция).