Теоретические сведения. Понимание закономерностей процессов излучения и поглощения света в твердом теле позволяет достичь зонная теория

Понимание закономерностей процессов излучения и поглощения света в твердом теле позволяет достичь зонная теория. Согласно этой теории, энергетический спектр электронов в кристалле состоит из нескольких полос, называемых разрешенными энергетическими зонами, каждая из которых возникает в результате расщепления энергетических уровней отдельных атомов вещества вследствие их взаимодействия. Из-за чрезвычайно большого числа уровней, на которые расщепляются энергетические урони энергия электрона в пределах каждой зоны может изменяться непрерывно. Соседние энергетические зоны разделены промежутками конечной ширины, получившими название запрещенные зоны. Энергия электрона не может принимать значения, находящиеся в этих промежутках. В полупроводниках и диэлектриках верхняя из полностью, заполненных разрешенных зон называется валентной зоной, а наиболее низкая из незаполненных – зоной проводимости. Энергия теплового движения "забрасывает" часть электронов из валентной зоны в зону проводимости; в валентной зоне при этом появляются дырки (рис. 1). В зоне проводимости электроны обычно сосредоточены вблизи нижнего края (дна) зоны, а дырки в валентной зоне -вблизи ее верхнего края (потолка) на энергетических расстояниях от границ зон - ~kT, что гораздо меньше ширины разрешенных и запрещенных зон.

Рис. 1. Энергетические зонные диаграммы собственного полупроводника (а), полупроводников с донорной (б) и акцепторной (г.) примесями. Окраска разрешенных энергетических зон качественно отражает степень заполнения электронами соответствующих уровней энергии.

n – область, p – область, n – область, p – область, n – область, p – область

Рис. 2. Энергетические зонные диаграммы p - n перехода при отсутствии внешнего напряжения (а), в случае прямого включения (б) и в случае обратного включения (в). Штриховой линией показан уровень, соответствующий энергии Ферми E_F; пунктиром - донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне

Рис. 3. Излучение света при межзоиных переходах электронов в полупроводниках прямые переходы б) переходы с изменением импульса ()

Рис. 4. Пространственное разделение в электронно-дырочном переходе возникающих в результате поглощения света свободных носителей заряда.

Механизмы излучения фотона при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зоны несколько различаются в полупроводниках с прямой и непрямой структурами энергетических зон (рис. 3). В первом случае зависимости энергии электрона от величины его квазиимпульса для зоны проводимости (кривая 1) и для валентной зоны (кривая 2) имеют экстремумы при одинаковых значениях квазиимпульса. Поскольку импульс излучаемого фотона намного меньше типичных значений квазиимпульса электрона (p~h/d, где d - постоянная кристаллической решетки), то оптический переход изображается на координатной плоскости (р, Е) с помощью вертикальной стрелки. Во втором случае экстремумы у кривых 1 и 2 имеют место при разных значениях квазиимпульса. Поэтому закон сохранения импульса требует участия в процессе кроме электрона и фотона третьей частицы, получающей импульс, равный разности квазиимпульса электрона в зоне проводимости и в валентной зоне. В качестве третьей частицы в данном случае может выступать фонон (квант колебаний кристаллической решетки) или дефект кристалла.

Значительного увеличения вероятности оптического перехода в непря-мозонном полупроводнике удастся добиться, если искусственно ввести в полупроводниковый кристалл примеси атомов посторонних веществ. Это приводит к появлению внутри запрещенной зоны отдельных разрешенных уровней энергии, положение которых зависит от типа примеси. Переход электрона из зоны проводимости в валентную зону в данном случае происходит в два этапа: на первом этапе электрон проводимости захватывается атомом примеси без излучения света и лишь на втором этапе происходит излучательный переход с уровня примесного атома в валентную зону. Избыточный импульс получает при этом атом примеси.

Для изготовления светодиодов применяются полупроводники как с прямой (GaAs, GaN, SiC, ZnS) так и с непрямой структурой энергетических зон (GaP). В последнем случае цвет излучения определяется типом введенной примеси. Например, светодиод на основе фосфида галлия, легированный атомами цинка и кислорода, даст излучение в красной области спектра, а при легировании того же полупроводника атомами азота цвет излучения оказывается зеленым.

Переходы электронов между энергетическими зонами кристалла могут сопровождаться не только излучением, но и поглощением света. Если энергия фотона оказывается больше ширины запрещенной зоны, то его поглощение приводит к переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. к образованию пары "электрон - дырка" (внутренний фотоэффект). Когда этот процесс происходит в области электронно-дырочного перехода, то существующее в ней электрическое поле будет перемещать дырку по направлению к p -области, а электрон - к n -области (рис. 4). В результате пространственного разделения носителей разных знаков возникает фотоэдс, направленная против поля контактной разности потенциалов и зависящая, от интеннсивности падающего на полупроводник света. Если электрическая цепь, к которой подключен диод, замкнута, то при падении на него света потечет фототок, совпадающий по направлению с обратным током через электронно-дырочный переход. Увеличение светового потока вызывает рост обратного тока через электронно-дырочный переход.

Полупроводниковые диоды, используемые для регистрации светового потока, получили название фотодиоды. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода при различных интенсивностях падающего света приведено на рис. 5

Рис 5. Вольт – амперные характеристики фотодиода при различных значениях светового потока