|
| |
|
Слаботочка Книги КИ - «растаскиваются» встроенным полем в разные стороны от границы, вследствие чего возникает дополнительная, наведенная фотс-ЭДС - высота имеющегося потенциального барьера уменьшается. Если разнотипные области выпрямляющей структуры замкнуты внешней электрической цепью, то под действием фото-ЭДС по этой цепи начинает протекать ток и имеет место эффект возбуждения фототока. Явления возникновения фотопроводимости, фото-ЭДС, фототока образуют «физический фундамент», на котором основано действие большинства фотоприемников. Поглощенное излучение, приводящее к разогреву полупроводника, с точки зрения задач оптоэлектроники теряется бесполезно. 2.4. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ Рассмотренный в § 2.3 фотоэффект основан на поглощении фотонов, сопровождающемся квантовыми переходами электронов «вверх» - в направлении увеличения их энергии. Согласно общему физическому принципу обратимости всех процессов в микромире переходы электронов «вниз», т. е. в направлении уменьшения их энергии, должны (или, точнее, могут) сопровождаться генерацией (испусканием, эмиссией, излучением) фотонов. Однако этот процесс значительно чаще, чем фотопроводимость, «смазывается» или полностью «забивается» бесполезной тратой энергии электронов перехода на разогрев полупроводника (возбуждение фононов). Иными словами, если фотопроводимостью обладают в большей или меньшей степени все полупроводники, то для генерации излучения почти всегда материал должен быть специально подготовлен. Для того чтобы иметь возможность перейти с верхнего уровня на более низкий, электрон предварительно должен быть заброшен На этот верхний уровень. Нередко такое возбуждение электронов происходит в одном месте кристалла или во всем его объеме, а их квантовые переходы с испусканием фотонов - в другом (в центрах свечения), поэтому в общем случае процесс излучения включает три этапа: возбуждение полупроводника внешним воздействием, перевод электронов в зону проводимости или на примесные уровни в запрещенной зоне; передача энергии возбуждения к центрам свечения, сопровождающаяся изменением пространственного, а часто и энергетического положения возбужденных электронов; обратный переход электронов в начальное невозбужденное состояние - излучательный переход. Различают три механизма генерации фотонов: тепловое излучение, люминесценцию и вынужденное излучение. Тепловое излучение, источником которого является тепловая энергия нагретого тела, обусловлено тем, что при повышении температуры увеличивается энергия колебаний атомов кристаллической решетки (мерой этой энергии яв- ляется величина kT, равная всего 0,025 эВ Н1ад комнатной температуре, но возрастающая до 0,25 эВ при Г=2500°С), вследствие чего растут как средняя энергия генерируемых фотонов, так и их поток. Можно считать, что при высокой температуре тела аннигиляция фононов (поодиночке или в совокупности друг с другом) является непосредственным источником вантов излучения. Это значит, что в представленной выше схеме процесса излучения второй этап отсутствует - свечение возникает во всем объеме нагретого тела. Математическая модель теплового излучения задается формулой Планка: /(X,T)=e(X,r)-f he \ J (2.39) связывающей спектральную плотность излучательной способности тела /(X, Т) (ее размерность Вт-см-, а физический смысл - мощность излучения с единичной площади в единичном диапазоне длин волн) с температурой и длиной волны. Входящий в (2.39) коэффициент излучения [е(А, Г)1] определяется зонной структурой вещества. Очень часто г{%. Г) =const, и такие тела называют серыми, а при е=1 - абсолютно черными телами (а. ч. т.). Если же в зависит от X, то такие вещества называют избирательными. Положив 8=1, получим, что асимптотическое приближение к (2.39) в коротковолновой области спектра имеет вид: 2лЛсЗ / he \ \ /а.,..--ехр, ---) . (2.40) С 10%-ной точностью (2.40) справедливо при А<:;6000/Г, где X, мкм; Т, К, т. е. практически при всех реальных температурах (Г<3000... 4000 К) для наиболее важной части «оптоэлектронного диапазона» (А<1,5... 2 мкм). Функции, описываемые формулой Планка (рис. 2.15), графически представляют собой одногорбые сильно размытые кривые с максимумом при Х=Хыакс. При повышении температуры Амакс уменьшается, кроме того, очень резко растет /а.ч.т(?«1акс), а также вся площадь, охватываемая кривой /а.ч-т(?0- Изменение Амакс описывается законом смешения Вина, полученным при дифференцировании (2.39): Амако = 2898/7-, (2.41) где Хк&кс, мкм; Т, К. Интегрирование формулы Планка в интервале длин волн приводит к закону Стефана - Больцмана: Л, = а T (2.42) где Меа.ч.т - энергетическая светимость абсолютно черного тела (см. гл. 4), а 0=5,67-10- Вт-м--К""* - постоянная Стефана - Больцмана. Выражение (2 42) показывает, что поток теплового излучения сильно зависит от температуры (~Г). Подводя итог, отметим широкий (практически полубесконечный) спектр теплового излучателя и отсюда его низкий КПД при использовании в узкополосной системе (характерной для оптоэлектроники), а также значительную инерционность, свойственную тепловым процессам. В качестве положительных отличий укажем на очень высокую достижимую яркость, а также на радиационную и температурную стабильности светимости, f, оти.ед.  D,1 0,Z W W 50 100 Л, mil Рис. 2.15. Спектр теплового излучения абсолютно черного тела (кривые 7-6000 К и 7=300 К характеризуют соответственно излучение Солнца и человека; штриховая линия соединяет максимумы кривых) спектр его теплового излучения мог видимой области. что следует из самого механизма теплового излучения. Последнее обстоятельство носит принципиальных характер, так как оно недостижимо при других видах излучения. Рассмотрим еще одну примечательную особенность, связанную с тепловым излучением полупроводников. Расчет и эксперимент показывают, что график функции 8(>1,) носит ступенчатый характер: в области малых длин волн 8(>i,) »0,7, а на краю поглощения (при >=>гр) резко спадает. Физически это объясняется принципом обратимости, т. е. тело, не поглощающее ИК-излу-чение (при А»гр), в этом же диапазоне спектра и не излучает. Таким образом, если бы удалось синтезировать полупроводник с ££«2 эВ, сохраняющий свои свойства до Г л; 2500 ... 3000 К, то бы быть почти полностью сосредоточен в Люминесценция - это излучение, интенсивность которого превышает интенсивность теплового излучения при данной температуре и которое сохраняется в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний, после окончания возбуждения, вызвавшего это излучение. Люминесценция интенсивно протекает при комнатной температуре, когда тепловое излучение ничтожно (отсюда - «холодное свечение»). Люминесценцию можно трактовать и как излучение, возбуждаемое в веществе за счет преобразования любого вида энергии, кроме тепловой. В общем случае люминесцирующие материалы называют люминофорами. В элементарном акте люминесценции отчетливо проявляются три этапа, упомянутые в начале параграфа. За счет энергии внешнего воздействия электрон с нижнего равновесного уровня Е\ переходит на уровень возбуждения £3, затем на метастабильный уровень Еч (центр свечения) и, наконец, вновь на уровень Е\ (рис. 2.16,а). Переход Ег-Е, является безызлучательным (избыток энергии передается тепловым колебаниям решетки), переход Е- -Ei ~ излучательным. Кроме описанной «классической» трехуровневой схемы люминесценции существует и много других (но принципиально однотипных) схем квантовых переходов, приводящих к люминесценции. Так, первоначальный заброс электронов может идти не на уровень £3, а на систему близко расположенных уровней или в их сплошную полосу. Возможен как исключительный, редкий, случай излучательный переход вида E-Ei («резонансная люминесценция») . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [25] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |