spektroskopia055

11. PRZEJŚCIA PROMIENISTE - LUMINESCENCJA

Luminescencja, to przejścia elektronowe powodujące emisję promieniowania. W pewnym uproszczeniu mówimy, że są to procesy odwrotne do absorpcji. Proces emisji promieniowania następuje wtedy, gdy elektron zajmujący wyższy stan energetyczny, niż ma to miejsce w warunkach równowagi, przechodzi do niższego energetycznie pustego stanu, całkowicie lub w większej części zmieniając różnicę energii na falę elektromagnetyczną.

Przejście układu elektronowego do nierównowagowego stanu wzbudzonego może nastąpić w wyniku absorpcji fotonów — wzbudzenie optyczne (wtedy emisję promieniowania nazywamy fotoluminescencją), pobudzanie wiązką elektronową (katodoluminescencja), oraz przez przyłożenie odpowiedniego napięcia do złącza p-n (elektroluminescencja).

Pod wpływem czynnika pobudzającego w paśmie przewodnictwa pojawia się koncentracja elektronów n_w. Jeżeli liczbę pustych stanów w paśmie walencyjnym oznaczymy przez n_p, to liczba przejść promienistych na jednostkę czasu w jednostce objętości wynosi

& = n_wn_pP_P,    (11.1)

gdzie P_p — prawdopodobieństwo przejścia promienistego.

Wielkość nazywamy też szybkością rekombinacji, a zamiast mówić i pasmach możemy rozważać dowolne stany — wyższy i niższy energetycznie.

Oprócz rekombinacji promienistej, w półprzewodnikach występuje rekombinacja niepromienista. Może ona odbywać się za pośrednictwem stanów defektowych lub procesu Augera, w którym energia rekom-binującej pary elektron—dziura jest przekazywana innemu elektronowi lub dziurze. Wydajność rekombinacji promienistej rj zależy od prawdopodobieństwa obu tych procesów

(H-2)

gdzie P_n — prawdopodobieństwo rekombinacji niepromienistej.

Przyjmując, że odwrotność prawdopodobieństwa rekombinacji jest czasem życia nośnika w stanie wzbudzonym, możemy równanie (11.2) napisać w postaci

n =

T 4- T

' '‘n

(11.3)

Jeżeli t_p « x„, to wydajność promienista osiąga znaczne wartości.

Proces absorpcji może występować między dowolnymi stanami znajdującymi się po obu stronach poziomu Fermiego. Natomiast w procesie emisji biorą udział tylko stany w pobliżu dna pasma przewodnictwa i wierzchołka pasma walencyjnego. W odróżnieniu więc od szerokich pasm absorpcyjnych, widma emisyjne są dość wąskie lub liniowe. Przyczyną tego jest zjawisko termalizacji. Polega ono na tym, że nośniki wzbudzone do energii większych niż w ekstremum pasm tracą nadwyżkę energii, przenosząc się w pobliże ekstremum. Odbywa się to za pośrednictwem emisji fononów w bardzo krótkim czasie t, = 10~⁹ —10^-8 s (rys. 67). Proces termalizacji na-

Rys. 67. Termalizacja wzbudzonych nośników: h(o₀ — energia fotonu pobudzającego, hco, — energia fotonu emitowanego