13.6. Фотопроводимость
Явление
возникновения проводимости полупроводников
под действием света называется
фотопроводимость. Механизм ее возникновения
тот же, что и при повышении температуры,
причем
, где
- энергия фотона равная
.
Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Для него справедливы законы внешнего фотоэффекта (см. Лекция 7), кроме третьего. Для полупроводников красная граница фотоэффекта определяется как
собственный
полупроводник -
примесный -
.
Здесь
- скорость света.
Принято, что добавочная проводимость, обусловленная действием света, называется фотопроводимостью, в отличие от основной (темновая проводимость), связанной с тепловым возбуждением носителей.
13.7. Люминесценция
Ряд веществ может светиться, т. е. излучать энергию в виде света, после их облучения или после химических реакций. Это явление называется люминесценцией.
Особенности: 1) В отличие от теплового излучения люминесценция является неравновесным излучением;
2) Тела, излучающие свет при люминесценции, сами остаются "холодными".
3) "Холодное свечение" - и есть люминесценция, а такие тела называются люминофорами.
4)
По длительности свечения люминесценция
делится на флюоресценцию (
< 10-6
c)
и
фосфоресценцию (
> 10-5
– 10-4
c).
Закон Стокса. "При люминесценции возникает свечение, имеющее большую длину волны, чем длина волны возбуждающего света".
И
з
ЗСЭ.
,
где
-
энергия кванта,
- энер -
гия,
расходуемая на возбуждение активатора,
- энергия,
переходящая
в тепло. Тогда
или
.
Это и есть
закон
Стокса.
Излучение возникает при переходе атомов вещества (активатора) из возбужденного состояния в нормальное (основное).
Важной
характеристикой люминесценции является
энергетический выход или КПД(
)
– излучения. Энергетический выход - это
отношение энергии, излученной
люминесцентным телом при его полном
высвечивании, к энергии, поглощенной
этим же телом при возбуждении.
Закон Вавилова. "В некотором диапазоне длин волн энергетический выход люминесценции увеличивается пропорционально длине волны, а затем резко уменьшается".
П
усть
=100
%, тогда из определения энергетического
выхода, каждый па -
дающий
квант света
вызы- вает квант света люминесценции
.
Отсюда
.
Зонная теория позволяет объяснить механизм возникновения люминесценции.
а)
Для флюоресцирующего люминофора (
<
10-6
с). Это химические соединения типа
и легирующие
элементы (активаторы) -
или
легкоплавкие соли.
С
хема
такого вещества приведена на рисунке.
ВЗ занята электронами полностью, ЗП -
свободна, в ЗЗ - находятся примесные
уровни активатора (А). При поглощении
веществом фотона (
)
электрон с А - уровня переходит в ЗП, становясь электроном проводимости.
Свободно
"блуждая" по кристаллу он встречается
с ионом активатора, рекомбинирует с
ним, переходя вновь на А – уровень. При
этом излучается флюоресцентный квант
.
При таком механизме время свечения
определяется временем жизни А - атомов
в возбужденном состоянии, которое
составляет 10-9
с, поэтому свечение флюоресцирующего
люминографа кратковременно и прекращается
мгновенно после прекращения облучения.
б) Фосфоресцирующий люминофор ( > 10-5 с, например, экран телевизора). Энергетическая схема такого вещества аналогична предыдущей, но существуют незаполненные энергетические уровни ловушки вблизи дна ЗП. Эти уровни могут образовывать атомы примесей или дефекты кристаллического строения (атомы в междоузлиях, вакансии и т. д.).
П
од
действием
А - ато-
мы возбуждаются и электроны переходят в ЗП, становясь "свободными". Захватываясь ло-
вушками они теряют подвиж -
ность и способность рекомбини-
ровать
с ионами активатора. Для освобождения
электрона из ловушки требуется энергия
(энергия ловушки). Эту
электроны могут получить за счет
теплового колебания атомов кристаллической
решетки (фононов). Время пребывания
электрона в ловушках
,
т. е. зависит от
,
и много больше, чем для флюоресцирующего
люминофора. Если
(тепловая)
>
,
то электрон освобождается из ловушки,
вновь попадая в ЗП. Как и в предыдущем
случае, он "блуждает" по кристаллу
до тех пор, пока не встретится с А -
ионом. Происходит рекомбинация и
возникает
- квант
люминесцентного излучения (см. рис.).
Ловушки в этих материалах играют роль "накопителей" энергии, которая потом высвечивается. Длительность такого свечения определяется продолжительностью пребывания электронов в ловушках.
Отметим, что не все переходы из возбужденного состояния в основное сопровождаются высвечиванием . Значительно чаще возникают фононы. Теория, к сожалению, пока не может предсказать какие примеси приводят к люминесценции, а какие к образованию фононов.