Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 125
Текст из файла (страница 125)
При поглощении света прнмесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника и-тнпа (рис. 324, б) или из валентной зоны на акцептарные уровни в случае полупроводника р-типа (рис. 324, а) В резчлътате возникает примесная фотопроводимасть, являюнгаяся чисто электронной для полупроволников и-тнпа и чисто дырочной для полупроводников р-типа 394 6.
Элементы квантовой физики атомов, мозекул и твердых гсл Таким образом, если пч» ЛЕ для собственных полупроводников, (244.1) пт»бЕ, для примесных полупроводников (Ьń— в общем случае энергия активации примесных атомов), то в полупроводнике возбуждается фотоправоднмость. Из (244.1) можно определить красную границу фотопроводнмости — максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается: э.э=го//гЕ для собственных полупроводников, )э=ой//гЕ„ для примесных полупроводников. Учитывая значения /хЕ и бЕ„для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для собственных полупроводников приходится на видимую область спектра, для примесных же полупроводников — иа инфракрасную. На рис. 325 представлена типичная зависимость фотопроводимости !' и коэф.
фициента поглощения к от длины волны Х падающего на полупроводник света. Из рисунка следует, что при ).»Хо фотопроводимость действительно не возбуждается. Спад фотопроводимостн в коротковолновой части полосы поглощения объясняется большой скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения а тонком Рис. 32З поверхностном слое толщиной к ! мкм (коэффициент поглощения ж10" м '). Наряду с поглощением, приводящим к появлению фотопроводимости, может иметь место экситонный механизм поглощения.
Экситоны представляют собой квазичастицы — электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов распола. гаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное по. глощение света не сопровождается увеличением фотопроаодимости, 2 245. Люминесценция твердых тел В природе давно известно излучение, отличное по своему характеру от всех известных видов излучения (теплового излучения, отражения, рассеяния света и т. д.).
Этим излучением является люминесцентное излучение, примерами которого может служить свечение тел при облучении их видимым, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, у-излучением и т д. Вещества, способные под действием различного рода возбуждений светиться, получили название люминофоров. Люмимесценция — нерааноаесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода сае.
товых колебаний, Первая часть этого определения приводит к выводу, что люминесценция не является тепловым излуче. нием (см. $197), поскольку любое тело при температуре выше 0 К излучает электромагнитные волны, а такое излучение является тепловым. Вторая часть показывает, что люминесценция не является таким видом свечения, как отражение и рассеяние света, тормозное излучение заряженных частиц и т.д.
Период световых колебаний составляет примерно 10 "с, поэтому длительность, по которой свечение можно отнести к люминесценции, больше — примерно 10 '" с. Признак Гл а в а 3! Элементы физики твердого тела Рис. 327 Рис. 326 Ич=)гч, „+ДЕ, :.'Ф:"':'.:.2:- ' Рис 326 длительности свечения дает возможность отличить люмннесценцню от других неравновесных процессов. Так, па этому признаку удалось установить, что излучение Вавилова — Черенкова (см.э 189) нельзя отнести к люминесценции. В зависимости ат способов возбуждения различают: фотолюмннесценцню (под действием света), рентгенолюмннесценцню (под действием рентгеновского излучения), катодолюминесценцню (под действием электронов), электролюмннесценцню (под действием электрического поля), раднолюмннесценцню (прн возбуждении ядерным излучением, например у-излучением, нейтронами, протонами), хемнлюмннесценцню (прн химических превращениях), триболюмннесценцию (прн растирания н раскалывания некоторых кристаллов, например сахара).
По длительности свеченин условно различают: флуоресценцню (! - 1О ' с) и фосфоресценцню— свечение, продолжающееся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения. Первое количественное исследование люминесценции проведено более ста лет назад Дж. Стоксом *, сформулировавшим в 1852 г. следующее правило: длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его (рис. 326). С квантовой точки зрения правило Стокса означает, чта энергия Лт падающего фотона частично расходуется на какие-то неоптичесине процессы, т. е. * Дж.
Стоке (!819 в !903) — англииский физик и математик. откуда ч, „<т нлн Х„„>Х, что н следует из сформулированного правила. Основной энергетической характеристикой люминесценции является энергетнческий выход, введенный С. И. Вавиловым в 1924 г.— отношенне энергии, нзлученной люминофором прн полном высвечивании, к энергии, поглощенной нм. Типичная для органических люминофоров (на примере раствора флуаресцнна) зависимость энергетического выхода Ч от длины волны ). возбуждающего света представлена на рнс. 327. Из рисунка следует, что вначале П растет пропорционально )ь а затем, достигая максимального значения, быстро спадает до нуля пря дальнейшем увеличении ).(закон Вавилова).
Величина энергетического выхода для различных люминофоров колеблется в довольно широких пределах, максимальное ее значение мажет достигать примерно 80 %. Твердые тела, представляющне собой эффективно люминесцируюшие искусственно приготовленные кристаллы с чужероднымн примесями, получили название крнсталлафосфоров. На примере крнсталлофосфороь рассмотрим механизмы возникновения .иомннесценцни с точки зрения ванной теория твердых тел. Между валентной зоной н зоной проводимости кристаллафосфора располагаются примесные уровни активатора (рнс. 328).
При 6. Элементы квантовая физики атомов, мвчекул и твердых тел поглощении атомам активатора фотона с энергией Пч электрон с прнмесно>о уровня переводится в зону проводимости, свободно перемешается по кристаллу до тех пор, пока не встретится с ионом активатора и не рекомбнннрует с ним, перейдя вновь на примесный уровень Рекомбинация сопроножлается нзпученнем кванта люмннеспентного свечения. Время высвечивания люминофора определяется временем жизни возбужденного состояния атомов активатора, которое обычно не превышает миллиардных полей секунды, Поэтому свечение является кратковременным и исчезает почти вслед за прекращением облучения. Для возникновения длительного свечения (фосфоресценции) кристаллофосфор должен содержать также центры захвата, или ловушки для электронов, представляющие собой незаполненные локальные уровни (например, Л~ и Л>), лежащие вблизи дна зоны проводимости (рис.
329). Они могут быть образованы атомамн примесей, атомами в междоузлиях и т. д. Пал действием света атомы активатора возбуждаются, т. е. электроны с прнмеснога уровня перехолят в вану проводимости и становятся свободными. Однако они захватываются ловушками, в результате чего тернют свою палвижност>ч а следователь. но, и способность рекомбиннровать с ионом активатора, Освобождение электрона нз лапушки требует затраты определенной энергии, которую электроны могут получить, например, от тепловых колебаний решетки. Освобажленный из ловушки электрон попадает в зону проводимости и движется по кристаллу да тех пор, пока или не будет снова захвачен ловушкой, или не рекомбннирует с ионом активатора.
Рис. Звв В послелнем случае возникает квант люминесцентного излучения. Длительность этого процесса определяется временем пребывания электронов в ловушках. Явление люминесценции получила широкое применение в практике, например люмннесцентный анализ — метод определения состава вещества по характерному ега свечению. Этот метод, являясь весьма чувствительным (примерно 10 '" г?см>1, позволяет обнаруживать наличие ничтожных примесей и применяется при тончай.
ших исследованиях в биологии, медицине, пищевой промышленности и т. д. Люмииесцентная дефектоскопия позволяет обнаружить тончайшие треп>ины на поверхности деталей машин и других изделий (исследуемая поверхность покрывается для этого люмниесцентным раствором, который после удаления остается в трещинах) . Люминофоры используются в люминесцентных лампах, являются активной средой оптических квантовых генераторов (см. $233) и сцинтилляторов (будут рассмотрены ниже), применяются в электронно-оптических преобразователях (см.$169), употребляются для создания аварийного и маскировочного освещения и для изготовления светящихся указателей различных приборов. 2 246. Контакт двух металлов по ванной теории Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.
Итальянский физик А. Вольта (1?45-— !827) установил, что если металлы А1, Хп, Вп, РЬ, 5Ь, В>, Нп, Ре, Сп, Ап, Ап, Р(, Рб привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вальт. Вольта экспериментально установил два закона: 1.
Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава ! л а в а 3!. Элементы :!97 физики твердого тела й б! Рис. ЗЗО и температуры соприкасающихся металлов. 2. Контактная разность потенциалов последовательна соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, ие зависит ат химического состава яромежугочных проводников и равна контактной разности потснциалаа, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников. Для объяснения возникновения контактной разности потснпиалов воспользуемся представлениями ванной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А|и Аь т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заяолнениого электронами энергетического уровня) . Если А ~ (А> (этот случай изображен на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
