06_semi_2018_mar12 (1182295), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

33 из 3512.03.2018Рисунок 22: Схема процесса рождения экситона с рождением фонона.Рисунок 23: Коэффициент поглощения света в полупроводнике Cu2O вблизи первой (n=1)экситонной линии поглощения. Слева: при температуре 77К. Справа: при температуре4.2К. На основе рисунка из работы [13].Рассмотрим пример экспериментального наблюдения таких процессов в полупроводникеCu2O [13].

Ширина запрещённой зоны Cu2O (см. схему зон на рисунке 19) составляет 2.17эВ, первый экситонный уровень находится на 150 мэВ ниже дна зоны проводимости, егоэнергия, отсчитанная от потолка валентной зоны приблизительно равна 2.02 эВ. Энергияоптической фононной моды равна 13.6 мэВ.

Отметим также, что в силу особенностейформирования зонной структуры в Cu2O рождение экситонов с n=1 в безфононномпроцессе запрещено правилами отбора (см. сноску на стр.31). В процессах с рождением иуничтожением фононов это правило отбора не действует — недостающий или избыточныймомент импульса может быть передан всему кристаллу.Пример экспериментальных данных по поглощению света в кристалле Cu2O показан нарисунке 23. При энергии кванта света 2.033 эВ наблюдается слабый резонансный пик,связанный с безфононным процессом рождения экситона в состоянии с n=1 . Этотпроцесс вероятно оказывается слабо разрешён какими-то дефектами кристалла.

Вблизи этойэнергии фотона (но всегда энергия фотона остаётся меньше ширины запрещённой зоны именьше энергии второго экситонного уровня) наблюдаются непрерывные полосыпоглощения в виде двух ступеней при T =77К и одной ступени при T =4.2К . При этомстр. 34 из 3512.03.2018одна полоса начинается в точности на энергию оптического фонона до энергии безфононногопроцесса, а вторая — в точности на энергию оптического фонона после безфононногопроцесса. В соответствии с описанным выше, поглощение света при 77К в интервале энергийот 2.01 мэВ до 2.037 мэВ связано с процессами с поглощением фонона, и это поглощениепредсказуемо пропадает при охлаждении до 4.2К, температуры много меньше энергииоптических фононов. Поглощение света при энергии кванта выше 2.037 мэВ связано восновном с процессами с излучением фонона, этот процесс остаётся возможным и принизкой температуре.Рекомбинация носителей†Как мы уже упомянули, в полупроводниках возможно поглощение фотонов с образованиемсвободных электронно-дырочных пар.

Пороговая частота для такого процесса поглощенияопределяется шириной запрещённой зоны. При этом, в принципе, мы можем создатьнеравновесное распределение электронов и дырок (создать избыточное количествоэлектронов и дырок, по сравнению с тепловым равновесием, и создать электронный идырочный газы с неравновесным распределением по энергии). Простейшим способом будетоблучение светом с частотой заметно выше пороговой — тогда будут появляться электроны идырки в состояниях, которые в равновесии при этой температуре свободны от квазичастиц.Во многих случаях можно считать, что процесс восстановления равновесного числаносителей медленнее, чем процесс восстановления равновесного распределения носителейпо энергии.

При комнатных температурах время установления равновесия в газе квазичастицпорядка 10−13 сек , а времена восстановления равновесного числа частиц меняются от10−7 сек в прямозонных полупроводниках до секунд и даже часов в непрямозонных [2].Таким образом, можно считать, что через небольшое время мы, независимо от способавоздействия, получим газы электронов и дырок с тепловыми энергиями (соответствующиеквазичастицы соберутся вблизи минимумов своих энергетических спектров), ноконцентрация этих квазичастиц будет избыточна по сравнению с «настоящим равновесием» ипойдёт более медленный релаксационный процесс восстановления равновеснойконцентрации квазичастиц.Процесс восстановления равновесного числа частиц заключается в уничтожении «лишних»электронно-дырочных пар.

Этот процесс называют рекомбинацией, он похож на процессаннигиляции частицы и античастицы в ядерной физике (но в отличие от электронпозитронной анигиляции в кристалле возможна рекомбинация электрона и дырки сиспусканием единственного фотона, недостающий импульс можно передать кристаллу). Прирекомбинации должны выполняться законы сохранения энергии и квазиимпульса.Рекомбинация может быть излучательной, когда вся энергия передаётся кванту света, ибезызлучательной, когда энергия, например, передаётся другому носителю заряда(рекомбинация Оже). Закон сохранения квазиимпульса тривиально выполняется дляпрямозонных полупроводников (напомним, что для оптических фотонов с энергией ∼1 эВволновой вектор много меньше бриллюэновского, поэтому оптические переходы происходятпочти без изменения волнового вектора состояния). Для непрямозонных полупроводниковнедостающий импульс передаётся фонону, этот процесс требует участия дефекта решётки(так называемый процесс Холла-Шокли-Рида).Отметим также, что высвечивание фотонов при рекомбинации происходит с частотойω=ωc ≈E g /ℏ , а генерация неравновесных носителей заряда производится путёмω> ωc .

Таким образом, мы имеем дело соблучения светом другой частотыфотолюминисценцией: несовпадением частот облучающего и переизлучаемого света.стр. 35 из 3512.03.2018.

Характеристики

Список файлов лекций