Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

в. Люминесценция при лавинном пробое

Так как во время лавныиого пробоя создаются электроино­ дырочные пары, то имеет место излучательная рекомбинация. Электроны и дырки могут разогреваться электрическим полем. Излучательные переходы между горячими носителями дают фото­ ны с энергией, большей чем ширина запрещенной зоны. Поэтому

люминесценция при лавин­ ном пробое характеризуется широким спектром излуче­ ния. Спектр простирается до hv Ä ; 3Eg, что соответствует энергетическому зазору меж­ ду наиболее горячими элек­ тронами и дырками. (Напо­ мним, что энергия ударной ионизации горячим носителем составляет около 3/2E g.) Ха­ рактер высокоэнергетической части спектра люминесцен­ ции при лавинном пробое показан на фиг. 8.38. Низкоэнергетический спад спектра

Ф п г. 8.38. Спектры пзлучеппя р — n-перехода n Si прп прямом

(Л) п обратном смещении (Б) [60].

излучения тянется в область энергий, меньших ширины запре­ щенной зоны, что обусловлено излучением фотонов, которое сопровождает туннелирование.

Аккуратное описание люминесценции при лавинном пробое требует детального рассмотрения механизма столкновения горя­ чих носителей. Как видно из фиг. 8.39, форма высокоэнергети­ ческого края спектра излучения описывается следующим выра­

где А — константа и

пI Зя \ 1І2\.і%кТе

\~S~)

Вэтом выражении ц — подвижность, g — напряженность элек­ трического поля, кТе — энергия горячих носителей, vs — ско-

люминесценция при пробое наблюдалась только в р — тг-пере- ходах, свободных от дислокаций [69].

Хотя в GaAs при лавинном пробое может наблюдаться широ­ кий спектр излучения, сообщалось также [70] об узкой краевой полосе излучения, сравнимой с полосой излучения при инжекциоиной люминесценции. Тождественность спектров излучения при прямом и обратном смещениях была обнаружена также'для соедине­ ния GaAs1_xPa; в области составов с х < 0 ,4 5 , когда самой нижней

л, А

Ф и г . 8.40. Коротковолновая часть спектров излучения при обратном сме­ щении для двух составов соединения GaAsj.^P^, у которых абсолютным минимумом зоны проводимости является непрямая долина [71].

долиной зоны проводимости является прямая долина [71]. Однако при составах с х > 0,45, когда долина (100 ) расположена ниже чем прямая долина, спектр излучения при лавинном пробое уже сильно отличается от спектра излучения при прямом смещении. Спектр излучения при обратном смещении содержит фундамен­ тальное краевое излучение, соответствующее непрямым перехо­ дам (наблюдающееся также и при прямых смещениях), и высоко­ энергетическое излучение, отсутствующее при прямых смеще­ ниях. Высокоэнергетический край спектра излучения резко обры­ вается при энергии, соответствующей прямым переходам (фиг. 8.40). Этот резкий обрыв связан с сильным самопоглощением коротковолнового излучения (коэффициент поглощения при прямых переходах очень велик).

Таким образом, энергетическое положение резкого обрыва должно меняться с изменением состава х. Зависимость энергии, соответствующей коротковолновому обрыву в спектрах излуче­ ния, от состава твердых растворов (фиг. 8.41) показывает, что

около 0,1 эВ при составах вблизи п выше переходной области. Сдвиг максимума излучения в свою очередь приводит к смещению точки перелома па кривой зависимости энергии переходов от состава к мепыппм (примерно на 0,1) значениям составов х по срав­ нению с темп составами, при которых действительно имеет место совпадение энергий прямой п непрямой долин зоны проводимости.

Хотя люминесценция при лавпнном пробое не слишком эффективна (в GaAs квантовый выход составляет ІО“4), она может быть использована в небольших источниках света с высоким быстродействием п широким спектром пзлучеипя.

Задача 1. При рассмотрении задач, связанных с поглощением пли излу­ чением, обычно предполагается, что | q | <С I к |> и правило отбора становит­ ся простым: кг = ky (см. задачу 4 в гл. 6). Исследуйте правильность этого предположения для случая GaAs и обсудпте условия, при которых это пред­ положение справедливо. Отметим, что минимум зоны проводимости и мак­ симум валентной зоны находятся при к = 0 (и, следовательно, | к | < | q | ). Вычислите число состояний, которые имеют | k | | q | . Каково их количе­

ство по сравнению с числом электронов, инжектируемых в p-область GaAs

что при термическом равиовеспп уровни Ферми с обеих сторон перехода сов­ падают с краями зоп. Приложенное напряжение на 8 кТ меньше ширины

запрещенной зоны (1,4 эВ). Длина волны в максимуме полосы пзлучеипя — 0,9 мкм; Nc = 5 -ІО17 см-3.

Задача 2. В некоторых умеренно легированных электролюмпнесцентных диодах из GaAs было обнаружено, что при инжекции интенсивность света зависит от напряжения как exp (qV /kT),r. е. пропорциональна диффу­

зионному току. Кроме того, установлено, что основная часть света излучается p-областью. Из этого можно заключить, что наблюдаемое излучение создает­ ся за счет дпффузиопного тока электронов в р-область. Имея в впду эту

информацию, обсудпте вопрос о возможности оптимизации внешнего кванто­ вого выхода пзлучеипя путем пзмеиення длины р-областп. Рассчитайте опти­ мальную длину р-областн. Рассматривайте задачу как одномерную. Интен­ сивность света регистрируется при выводе через p-область прибора. Пред­ полагайте, что приложенное напряжение на несколько кТ меньше, чем шири­

на запрещенной зоны.

10.Chynowelh A . G., Feldmann W. L., LoganR. A ., Phys. Rev., 121, 684 (1961).

11.Casey II. C., Silversmith D. / . , Journ. Appl. Phys., 40, 241 (1969). '