Микросхемотехника аналоговых устройств

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.

Adblock
detector