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).
