Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Отметим, что оно порождается в конечном счете фононами. Например, фонон (как оптический, так и акустический) можно упрощенно рассматривать как систему согласованно колеблющихся диполей, способных излучать электромагнитные волны. На опыте наблюдается сильное излучение, отвечающее межзонным переходам, а также примесное и экситонное излучения. Другие виды излучений подробно изучать не будем, поскольку они либо очень слабые, либо изучаются другими разделами физики. Виды люминесценции. Излучение световых (или близких к ним) электромагнитных волн веществом, атомы которого находятся в возбужденном состоянии, называют в широком смысле люмипесценцией. В отличие от теплового излучения это неравновесный процесс, он происходит за счет какого-то источника энергии.
В зависимости от типа этого источника различают несколько видов люминесценции. Фотолюминесценция происходит за счет возбуждения атомов внешним электромагнитным излучением, соответствующим оптическому диапазону спектра. Этот тип излучения, часто называемый люминесценцией, имеет очень большое практическое значение. Котодолюминесценция обеспечивается за счет столкновений быстро летящих электронов с атомами вещества. При этом выбиваются электроны из низко расположенных уровней и зон; на эти пустые места (своеобразные дырки) переходят электроны с верхних уровней, осуществляется каскад переходов, вследствие чего происходит излучение в разных участках спектра, в том числе и оптическом. Бомбардировка вещества другими заряженными частицами, например ядрами гелия или протонами, дает подобный же эффект.
Этот вид люминесценции используется в люминесцентных (светящихся) экранах, в частности, кинескопов телевизоров и мониторов. Радиолюминесценция и рентгенолюминесценция основаны на одинаковых с катодолюминесценцией процессах, отличие состоит в том, что электроны выбиваются за счет энергии соответственно гамма- или рентгеновского излучений. Этот вид люминесценции используется для регистрации гамма- или рентгеновского излучений, в частности с помощью люминесцентных экранов.
338 Хемилюминесценция происходит за счет энергии, высвобождающейся при химических реакциях. Существует и много других видов люминесценции, например злектролюминесценция, возникающая под воздействием электрического поля, или триболюминесценция — под влиянием механических воздействий. Межзонное рекомбинационное излучение. В твердых телах при всех видах люминесценции непускание света происходит при переходе электрона из зоны (или уровня) с большей энергией в зону (или на уровень) с меньшей энергией, в которой должно быть свободное место. Образование свободных мест в «нижних зонах» в результате теплового движения фактически невозможно, так как для этого нужна очень большая энергия. Однако такие пустые места возникают при попадании в вещество частиц и фотонов с достаточно большой энергией.
Поэтому чаще всего свободным местом оказывается дырка в валентной зоне. Тогда в результате перехода происходит рекомбинация электрона и дырки; такие наиболее распространенные переходы называют мезкзонными рекомбинационными переходами, а излучение, возникающее при таких переходах, — межзонным рекомбинационным излучением. Наибольшее практическое применение эти переходы получили для случаев кристаллических полупроводников и диэлектриков.
На рис. 7.8, а схематически показаны уровни в валентной зоне и зоне проводимости и функции распределения электронов по энергии в зоне проводимости у(Е)8,(Е) и дырок в валентной зоне ~(Е)8„(Е). Приблизительный вид спектра излучения для рекомбинационных прямых переходов соответствует асимметричной колоколообразной кривой на рис. 7.8, б с крутым спадом при низких частотах и пологим — в области больших частот.
На этот спектр накладываются эффекты, связанные с экситонным излучением (см. рис. 7.7), а при возможности переходов по схеме, приведенной на рис. 7.5, — эффекты, связанные с этими переходами (см. рис. 7.5). Примесное излучение. При возникновении примесных уровней в запрещенной зоне появляется возможность излучения фотонов с энергией меньшей, чем ширина запрещенной зоны (рис. 7.9). Такие переходы обладают рядом особенностей.
В полупроводниках при переходах электрона с энергетических уровней в зоне проводимости на донорный уровень, а также с акцепторного уровня в дырку валентной зоны испускается фонон 339 0 Епцп Еф б Рнс. 7.8. Функции распределения электронов ( ° ) в зоне проводимости у(Е)Е,,(Е) н дырок (о) в валснтной зоне ):(Е)Н,(Е) по энергии (а) н типичный вид спектра излучения 1(Е ) (б) чаще, чем фотон. При появлении примесных уровней в средней части запрещенной зоны диэлектрика может оказаться возможным излучение в оптическом диапазоне даже в случае очень широкой запрещенной зоны (которой соответствует энергия фотона в ультрафиолетовой области).
Такие примеси называют активаторами оптического или близкого к нему излучения (см. рис. 7.9). В некоторых кристаллах, например в рубине, примесные атомы хрома создают свою систему уровней, существование которой объясняет окраску кристалла и которую используют для излучения света в нужном диапазоне. Фотолюминесценцин. Особенности применения. При фото- люминесценции в полупроводниках и диэлектриках возбужденное состояние кристалла создается путем облучения его фотонами, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны (рис.
7.10). При этом образуется пара электрон — дырка. Электрон в зоне проводимости за счет столкновений опустится в свободные состояния с меньшей допустимой энергией — ближе к дну зоны проводимости, а дырка аналогично, за счет столкновений, окажется на энергетических уровнях вблизи потолка валентной зоны. Тогда при межзонном переходе, очевидно, будет испущен фотон с 340 Зона проводимости Донпрный уровень Аьтнватпрный уровень Акцепторный уровень Запрещенная зона Вяпентная зона Запрещенная зона Рнс. 7.9. Энергетические уровни электронов в запрещенной зоне полу- проводника н схема переходов между ними 34! меньшей энергией и частотой, чем тот, что возбудил систему. В этом состоит общее правило Стокса, справедливое и для других видов люминесценции, например в сложных молекулах: при люминесценции средняя частота испускаемого излучения оказывается меньше, чем возбуждающего. Это правило относится к средним значениям частоты.
Оно может нарушаться для некоторых значений частот: наблюдается относительно слабое люминесцентное излучение с частотой большей, чем у возбуждающего излучения. Люминесценцию, для которой не выполняется правило Стокса, называют антистоксовой люминесценцией (рис. 7.!О, б). В зоне проводимости электрон может с некоторой вероятностью приобрести энергию от фонона (т.е. от кристаллической решетки) и оказаться перед излучением фотона на более высоком энергетическом уровне (см.
рис. 7.10, б). Рекомбинировать этот электрон может и с дыркой, расположенной более глубоко в валентной зоне, тогда энергия и частота фотона В окажутся выше, чем у фотона А. Фотолюминесценция, как и некоторые другие виды люминесценции, а также фотопроводимость (см. 4.4) имеют конечное время установления (разжигания) и спада (гашения). Это связанно с конечным временем увеличения концентрации возбужденных состояний (в полупроводниках это пары электрон — дырка) и конечным временем уменьшения концентрации свободных электронов и дырок при рекомбинации.
Для анализа этого явления применяют соотношения (4.29)-(4.38). Вообще говоря, фотопроводимость и фотолюминесценция — очень похожие явления, вызванные одной Безызпучатепьный переход Зона проводимости нл Запрещенная зона Вяяентная зона Безыздучатеяьный переход и Рис. 7.10. Схема переходов при фотодюминесценции (а), антнстоксовой люминесценции (б) и схема уровней четырехуровневого лазера (в) причиной: наличием фотонов в одной и той же среде. Их существенное отличие (для случая полупроводников и диэлектриков) заключается в том, что фотопроводимость обусловлена концентрацией электронов и дырок, а фотолюминесценция — скоростью их рекомбинации. Фотолюминесценция имеет много применений в технике.
Рассмотрим некоторые из них. Схема уровней (рис. 7.10, а) соответствует схеме четырехуровневого лазера (рис. 7.10, в). Напомним, что главным условием работы лазера является инверсная заселенность уровней: большее число электронов на верхнем уровне (2 — вблизи дна зоны проводимости), чем на нижнем (1 — вблизи потолка валентной зоны). Если безызлучательные переходы (3 — 2) и (1 — 0) будут происходить с меньшим характерным временем, чем переход (2 — 1), то за счет накачки (Π— 3) можно получить инверсную заселенность уровней 1 и 2. Отметим, что для накачки можно использовать широкополосный источник света, поскольку переход (Π— 3) соответствует межзонному поглощению с широким спектром.
Четырехуровневая схема лазера характеризуется тем, что рабочий уровень интенсивно «опустошается» за счет быстрых безызлучательных переходов (1-0), вследствие чего требуется меньшая интенсивность накачки 342 для создания инверсной заселенности. Именно по такой схеме работают некоторые типы твердотельных лазеров, в частности, лазер «на неодимовом стекле».
Лазеры и источники света, генерирующие свет за счет рекомбинации электронов и дырок, могут работать на основе р-л-перехода (ем. 4.5). В рубиновых лазерах используются примесные уровни хрома в кристалле А120ъ они работают в соответствии с трехуровневой схемой. В таких лазерах уровни 0 и ! (см. рис. 7.10, в) совмещены, за счет чего уровень ! оказывается одновременно и основным. Вероятность нахождения на нем электронов большая, поэтому для создания инверсной заселенности требуется очень большая мощность накачки. Вследствие этого возникают трудности, связанные с перегревом лазера, что приводит к необходимости его работы в импульсном режиме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
