24.Преобразование энергии возбуждения в диэлектриках и полупроводниках. Энергетический выход люминесценции.

Все п/п излучающие приборы делят по способу возбуждения люминисценции:

1. катодолюминесцентные источники(п/п лазеры с электронной накачкой)

2. на электролюминисценции (светодиоды, инжекционные лазеры)

Высокоэнергетические рентгеновские кванты, попадая в тв. тело создают вторичные высокоэнергетические электроны, в дальнейшем размен энергии происходит аналогично тому, как, если бы материал облучался высокоэнергетическими электронами. Отличия в размене энергии характерны для гамма-квантов, обладающих очень высокой энергией, достаточной для возбуждения и распада ядер(МэВ). При попадании высокоэнергетического электрона в вещество он начинает терять энергию, создавая вторичные электроны и дырки, весь процесс размена энергии делится на три этапа: генерационный, миграционный, внутрицентровой (рекомбинационный).

Генерационный.

ВЗ – валентная зона.

З П – зона проводимости(100 – 1000КэВ)

Электроны, попадая в вещество создают вторичные электроны, выбивая первоначально из внутренних заполненных групп атома.

Сечение ионизации:

Чем глубже уровень, тем выше энергия ионизации. Образовавшиеся свободные состояния будут заполняться электронами с более высокими электронными группами, при этом возможно излучение высокоэнергетического кванта, процесс , когда энергия высокоэнергетического электрона может перейти в свободное состояние.

По мере увеличения актов ионизации, увеличивается концентрация свободных электронов и дырок, и одновременно их энергия уменьшается. Начинают получать энергию электроны валентной зоны. Ионизационные процессы протекают до тех пор, пока энергии вторичных электронов и дырок достаточно для образования новой электронно-дырочной пары, как только энергия вторичных электронов становится меньше min энергии создания эл-дырочной пары, процесс размножения эл-ов и дырок прекращается. Этот временной интервал, создания новых эл-ов и дырок называется генерационным.

В конце этого этапа в материале имеются нетермализованные электроны, т.е. имеющие большую энергию, но не достаточную для ионизации, такие электронные дырки двигаясь в решетке теряют свою энергию путем создания колебаний решетки. Пока электроны имеют большую энергию создаются оптические фотоны, по мере уменьшения возникают акустические фотоны. Время генер. этапа 10^-14с.

Миграционный этап 10^-12с.

Когда электронные дырки попадают на решетку, могут рекомбинировать излучательно или безизлучательно.

В конечном итоге электроны и дырки исчезнут. Пороговая энергия, при которой электрон и дырка могут создавать эл-дырочную пару, с учетом законов сохранения энергии и импульса:

m_e^٭ – эффективная масса электрона

m_h^٭ - эффективная масса дырки.

E_g – энергия запрещенной зоны.

Средняя энергия, которая необходима для создания одной эл-дырочной пары:

Если принять что зоны имеют равномерное распределение состояний, то <E_e>=0.6E_i^e и <E_e>=0.6E_i^h . Подставим в формулу выше и представим что масса электрона равна массе дырки, почучим что для того чтобы создать одну эл-дырочную пару необходима энергия E=2.8E_g. E=((1.5 – 3)E_g) пределы.

Чтобы создать термализованные дырки:

Т_е, Т_р>>KT. Энергия преобразуется в тепловую путем создания фотона(колебания решетки).

Эл-ы и дырки способны перемещаться по кристаллической решетке. Этот этап термолизации называется миграционным. Скорость потери энергии велика. Энергия фотона ~ 0.01 эВ. Дырки начинают рекомбинировать между собой, в дальнейшем часть электронов и дырок будут рекомбинировать на дефектах. Часть запасенной энергии будет преобразовываться в энергию излучения.

Безизлучательные процессы:

Электроны затормозятся в среде, часть может выйти в обратном направлении. От плотности вещества зависит глубина проникновения в среду.

Кванты рентгеновского излучения ослабляются, зона выделения энергии будет больше, электроны потеряют энергию на ионизацию.

Второй способ потери энергии уходит на радиационные потери. При энергии 1МэВ – рад. потери.

При энергии 500МэВ – радиационные и ионизационные потери сравниваются.

Э нергетический выход:

n- число квантов

hν – ср. энергия квантов

N – число созданный эл-дыр пар

η_М – коэф. потерь на миграц. этапе

η_U – на внутрицентровых этапах

DA – донорно-акцепторная.

m ax энергетический выход для катодолюминисценции составляет 0.33, является физически предельным, остальная энергия преобразуется в тепловую.