Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
энергетических состояний, и в них действительно наблюдалось очень много
различных спектров излучения экситонов, связанных как на донорах, так и
на акцепторах. Томас и Хопфилд [141] обнаружили, например, сложные
линейчатые спектры, обусловленные экситонами, связанными на донорах в CdS
и CdSe. Рейнольдс [142] интерпретировал некоторые из этих линий как
результат такой аннигиляции связанного экситона, после которой доноры
остаются в различных возбужденных состояниях.
Соединения типа АШВУ, в особенности GaAs и GaP и их сплавы, также широко
исследовались, главным образом из-за их прикладного значения как
материалов для изготовления светодиодов. Эти соединения, легированные
различными примесями, также дают большое разнообразие узколинейчатых
спектров излучения, возникающих в результате аннигиляции экситонов,
связанных на различных несовершенствах кристаллической решетки.
Кроме связывания экситона с одиночными донорами или акцепторами
существует также ряд других процессов. Некоторые из них мы детально
обсудим позже (см. разд. 14.1 и 14.2).
Действительно, все процессы поглощения, которые обсуждались в предыдущих
разделах, приводят к излучению. Например, электроны могут перейти с
неионизованных доноров на вакантные уровни в валентной зоне, т. е.
рекомбинировать с дыркой, аналогично электроны зоны проводимости могут
рекомбинировать с дыркой на не-ионизованном акцепторе. Все обсуждавшиеся
до сих пор процессы, если их рассматривать как процессы испускания
излучения, являются неэффективными, поскольку большинство актов
рекомбинации осуществляется путем безызлучательных переходов.
Был обнаружен, однако, и ряд значительно более эффективных в этом смысле
процессов. Если наряду с неионизованными донорами в полупроводнике
имеются также и неионизованные акцепторы, то рекомбинация может
осуществиться посредством обмена электроном между ними. Если не учитывать
энергию кулоновского взаимодействия, то энергия, выделяемая при таком
переходе, будет равна
10. Оптические и высокочастотные явления
405
АЕ-ed-еа, где ed и еа - соответственно энергии ионизации донора и
акцептора. Если, однако, учесть, что расстояние между атомами донора и
акцептора конечно и равно R, то следует учитывать и энергию кулоновского
взаимодействия, равную -е2/4лее0/?, которая будет высвобождаться при
переходе. Энергия излучаемого кванта будет тогда определяться выражением
Av = A?-ed-ea+4-^. (10.170)
Поскольку электроны и дырки оказываются связанными, линия излучения для
каждого значения R будет резкой, но будет существовать не одна, а целая
серия линий, соответствующих различным группам позиций, занимаемых
атомами примесей в кристалле, соответствующих расстояниям Ru /?*,... и т.
д. Томас и др. 1143) наблюдали такие серии резких интенсивных линий для
пар Si и Те в GaP, а также в ряде других полупроводников. Дин и др. 1144)
наблюдали спектры интенсивного излучения GaP, обусловленного, как
полагают, наличием пар In-О и Cd-О. Пары этих примесей стремятся
расположиться на минимально возможном расстоянии, поэтому основная часть
излучения сосредоточена в сильной узкой линии.
Другим типом центра, который дает интенсивное излучение, в том числе
хорошо известное красное свечение светодиодов из GaAs, является так
называемый изоэлектронный центр, который образуется, когда один из атомов
замещен другим, но с той же валентностью. Такие центры обсуждались в
большом числе работ, в том числе в работе Уайта и др. [145), в которой
спектр GaAs сравнивается со спектром 1пР.
Бебб и Уильямс 1146) довольно подробно рассмотрели теорию излучения
центров различного типа. Они же [ 150) сделали обзор большого количества
имеющихся экспериментальных данных по излучению GaAs и сравнили их со
своими результатами. Теорию вопроса, главным образом применительно к GaAs
и 1пР, обсудил Филлипс 1147). Дин 1148) составил обширный обзор работ по
спектроскопии узколинейчатого излучения полупроводников.
10.14.3. ИЗЛУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Тепловое излучение полупроводника обычно следует излучению идеального
"черного тела". Однако, как отмечалось выше, оно будет промодулировано
вариациями поглощения и, следовательно, излучательной способности.
Значительная часть этого излучения будет испускаться свободными
носителями заряда, а также колебаниями решетки. Последнее мы обсудим в
следующем разделе. Излу-
406
10. Оптические и высокочастотные явления
чение свободных носителей можно увеличить, инжектируя избыточные
носители. Это явление наблюдали Ульмер и Фрэнкл [149]. Они смогли,
например, наблюдать увеличение интенсивности излучения в той же части
спектра, где существует избыточное поглощение, обусловленное возбуждением
дырок из одной валентной зоны в другую (см разд. 10.14.2).
10.14.4. ИЗЛУЧЕНИЕ КОЛЕБАНИЯМИ АТОМОВ РЕШЕТКИ
Максимум "теплового" излучения тела, имеющего комнатную температуру,
оказывается вблизи 10 мкм, поэтому колебания атомов решетки, которые дают
наибольший вклад в поглощение в этой области спектра и должны быть
