Напівпровідниках

Випромінювальна рекомбінація – єдиний фізичний механізм генерації світла у світловипромінюючих діодах. Рекомбінація електронів і дірок в напівпровідниках може здійснюватись незалежними конкуруючими процесами. Нагадаємо, що поряд з випромінювальними каналами рекомбінації існують і безвипромінювальні процеси рекомбінації. При безвипромінювальних переходах енергія рекомбінації йде на нагрівання кристала. При випромінювальних переходах, енергія перетворюється у кванти світла.

Розглянемо більш докладно механізми люмінесценції, на яких базується принцип дії світлодіодів або напівпровідникових лазерів. На рис. 4 схематично зображені декілька процесів рекомбінації.

2.1. Міжзонна рекомбінація, при якій електрон із зони провідності переходить у валентну зону на місце дірки безпосередньо, випромінюючи енергію, трохи більшу за ширину забороненої зони (рис. 4, а). Випромінювальна рекомбінація за рахунок прямих зона – зона переходів має місце в прямозонних напівпровідниках (GaAs, InAs, InSb, GaSb, твердих розчинах GaAs_1-xP_x при х<0,4, Ga_1-xAl_xAs при х<0,35 та інших). У цих напівпровідниках абсолютний мінімум зони провідності знаходиться при тому самому значенні квазіімпульсу, що і максимум валентної зони. Міжзонне випромінювання має спектральну смугу з максимумом, енергія якого hn_мак для невиродженого напівпровідника на величину порядку kT більша за ширину забороненої зони Е _g.

Число міжзонних випромінювальних переходів в одиницю часу в одиниці об’єму пропорційне добутку n × p концентрації електронів і дірок:

(7)

Коефіцієнт рекомбінації В _r для напівпровідників з прямими і непрямими переходами суттєво відрізняється і за величиною рівний 10^-10 і 10^-14см^з×с^-1. Випромінювальні міжзонні переходи конкурують з безвипромінювальними і випромінювальними з іншою енергією випромінювання, які зв’язані з переходами електронів через один або декілька проміжних станів. Джерела цих станів – дефекти структури, чужорідні домішки і включення, поверхневі стани. В залежності від інтенсивності рекомбінації в конкуруючому каналі змінюється число носіїв, які приймають участь у випромінювальній рекомбінації з енергією фотонів, яка відповідає міжзонній рекомбінації.

2.2. Екситонна рекомбінація, при якій електрон і дірка перед актом випромінювання зв’язуються у вільний екситон, вивільнивши при цьому частину енергії, рівну енергії зв’язку екситону (рис. 4, б).