ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 106
Скачиваний: 0
в предыдущий полупериод. В этой схеме предполагается, что большинство освобожденных дырок имеют возможность вернуться к центрам свечения.
Небольшие световые пики, появляющиеся после вы ключения каждого импульса, могут быть связаны с воз вращением к центрам свечения электронов, освобожден ных теплом и перемещаемых полем поляризации, которое присутствует в промежутках между импульсами.
Форма световых пиков определяется временной зави симостью электронного тока от противоположного края кристалла и изменением со временем числа дырок на уров нях центров свечения. Поток электронов может состоять, очевидно, как из электронов, освобожденных полем из ловушек (малые напряжения), так и образовавшихся вследствие ионизации (более высокие напряжения). Тог да по мере роста напряжения в пределах фронта импуль са в область скопления дырок устремятся сначала элект роны, освобожденные из ловушек, а позже — преимущест венно появившиеся вследствие ионизации. В веществах с большой концентрацией глубоких ловушек и большим се чением захвата электронов первые приходящие в область скопления дырок электроны будут захвачены ловушками, причем за короткое время импульса (менее мсек) ловушки глубиной в несколько десятых электрон-вольт не будут освобождены теплом при комнатной температуре. Тогда основная часть рекомбинаций в левой части образца на рис. 15.2, в произойдет только после начала ионизации в правой части кристалла. Подобные условия рекомбина ции осуществляются в обычных ZnS-люминофорах, что вытекает из ряда наблюдений (§ 32).
Мгновенная яркость свечения L (t) будет пропорцио нальна как числу оставшихся к моменту t ионизованных центров свечения р (t), так и концентрации электронов п (t) в той же области кристалла, причем п изменяется независимо от р и определяется напряжением на кристал ле и величиной G (t). Если р убывает только вследствие рекомбинации, то
о
о
110
где L выражено в числах квантов за секунду, у — коэф фициент, а р 0 — концентрация дырок в момент начала рекомбинации, когда t — 0. Если рекомбинация происхо дит у самой границы кристалла с двумя одинаковыми барьерами, то концентрация электронов п у вершины то го барьера, который включен в прямом направлении
L,G,B
Рис. 15.3. Изменение скорости генерации G и мгновенной яркости свечения
L в пределах прямоугольного импульса напряжения длительностью |
I. 1,2, |
2 — L (1) при напряжении У = 60, 70 и 80 в соответственно; 4 , 5 , 6 |
— G (О |
при тех же V; 7, s — зависимости средней яркости В от длительности разно полярных импульсов t (V = 60 и 70 в), с помощью которых получены соответ ствующие кривые G. Все величины — в относительных единицах. Образец — сульфид цинка с зеленым свечением.
(у анода), пропорциональна / 0 (М + 1), где / 0 — ток насыщения, выраженный в числах электронов за се кунду, а М — коэффициент умножения. Скорость иони
зации G = I — / 0 = / 0 (М — 1), т. е. при |
М |
1 п ~ |
~ / л ( ? и при больших напряжениях L ~ |
Gp. В началь |
|
ные моменты прямоугольного импульса напряжения, ког да р еще постоянно, a G растет из-за установления напря жения на барьере, возрастание L определяется увеличе нием G. В последующие моменты обе величины (р и G) падают, поэтому их произведение и L проходят через мак симум. На рис. 15.3 сравнивается форма опытных зависи мостей L (t) и G (t), которая в целом оказывается одинако вой [83]. Различия между кривыми L и G можно оценить
111
следующим образом:
L |
h ( M + l) |
м + l |
(15.2) |
|
G |
h { M — 1) p ~~ M - l p ‘ |
|||
|
||||
Это отношение не зависит от / 0, который может изменять ся со временем как вследствие истощения источника элек тронов, так и из-за зависимости / 0 (F0). После установле ния F0 и М (F 0) эти величины начинают уменьшаться со временем, а дробь (М + 1)/(М — 1) — увеличиваться. Одновременный спад р (t) ослабляет изменения L/G со
временем. При высоких напряжениях, когда М |
1, |
отношение (М + 1)/(М — 1) изменяется медленнее |
и |
более ясно проявляется уменьшение р (t) (см. рис. 15.3).
Небольшое запаздывание максимума |
Ь по отношению |
к максимуму G может происходить как |
из-за продолжаю |
щегося вначале захвата электронов ловушками, так и вследствие конечного времени подвода дырок к центрам свечения.
Таким образом, наблюдающееся соответствие кривых L и G согласуется с предположением о том, что в сульфиде цинка рекомбинация контролируется ионизацией, про текающей одновременно в другой области кристалла (прикатодной).
Уравнение (15.1) можно использовать для вычисления кривой L (t), если известна зависимость п (t) или / (t) =
= / 0 М (F0), |
т. е. |
зависимость |
F 0 (t). |
Эту |
зависимость |
(для того барьера, |
в котором в данный |
полупериод идет |
|||
ионизация) |
можно |
получить из |
опытных |
кривых G = |
|
= / 0 (М — 1) либо с помощью опытов с малыми допол нительными импульсами, перемещающимися вдоль ос новного [81]. Более простой задачей является определение положения максимума яркости в условиях, когда он до стигается во время продолжающегося с постоянной ско ростью роста напряжения, т. е. в случае возбуждения люминофора треугольными или трапециевидными импуль
сами (рис. 15.4). Условие максимума яркости^- = 0 при
водит к следующему выражению:
(15.3)
которое относится ко времени tm, прошедшему от начала импульса до максимума светового пика (рис. 15.4, а).
При линейном росте напряжения от нуля до амплитуд ного значения Vа в течение времени t a (рис. 15.4, а)
V
V = -р £ . Так как максимум света достигается в преде-
а
лах фронта импульса только при достаточно высоком F a,
tm,мксек
Рис. 15.4. Положение основного светового пика на переднем фронте трапецие
видного импульса напряжения, а) — кривые напряжения V, тока I |
и света |
|||||
L (штриховые линии — тож е при более крутом |
фронте импульса), t |
— вре |
||||
мя роста |
V, 1 |
— время и |
V m — напряжение, |
соответствующие максимуму |
||
яркости, |
б) — зависимость |
t |
от t при Va = |
const. Сплошная кривая — |
||
расчетная: t |
~ 3/ . Светлые |
точки — экспериментальные данные |
работы |
|||
[85], темные — работы [84].
то п ~ I и, если воспользоваться степенной аппроксима цией зависимости тока от напряжения, / ~ Vх, то из (15.3) будет следовать, что
у.
/ ' \ ~ 1
•
( , 5 ' 4 )
При Va = const для образцов сульфида цинка с зеленым свечением, у которых и ж 3, должна, таким образом, на
блюдаться зависимость tm ~ ta\ Рис. |
15.4, б показывает, |
что ожидаемая зависимость довольно |
хорошо согласует |
ся с измеренной [84]. Вместе с увеличением ta уменьшает ся напряжение Vm, соответствующее максимуму света,
так как
а
При синусоидальном возбуждении максимум L также появляется в условиях продолжающегося роста напряже ния и тока. Используя исходное уравнение вида (15.3), можно при некоторых упрощениях получить зависимо сти tm (или соtm = cpm) от частоты и других факторов, ко торые также согласуются с результатами измерений. При вычислении tm и срт в общем случае следует учитывать присутствие как излучательных, так и безызлучательных рекомбинаций, соотношение между которыми отражается величиной квантового выхода рекомбинации [86]. Так как величина Р влияет одновременно и на усредненные по времени характеристики свечения (средняя яркость, энер гетический выход), то значения фт оказываются связанными с этими характеристиками. Случай синусоидального на пряжения более подробно рассмотрен в разделе VI, по священном сульфиду цинка, на котором проделано боль шинство подобных измерений (§ 32). Там же обсуждает ся происхождение других световых пиков, в том числе возникающих при возбуждении люминофоров однополяр ными импульсами.
IV. КАРБИД КРЕМНИЯ
§ 16. Общие сведения
Карбид кремния был первым веществом, на котором наблюдалась электролюминесценция. В технических крис таллах со случайными р — п-переходами О. В. Лосев наблюдал оба основных вида свечения: рекомбинационное излучение р —«-переходов, включенных в прямом направ лении («свечение II»), и излучение, возникающее под действием сильного поля в обратно смещенных переходах («свечение I») [1]. Позже было выполнено большое число работ, относящихся к физико-химическим, электрическим и оптическим свойствам как технических, так и специаль но выращенных, более чистых кристаллов SiC. Результа ты этих исследований подробно изложены в [2].
Карбид кремния может иметь как кубическую решетку (^-модификация) с шириной запрещенной зоны АЕ = 2,33 эв
при Т = |
293 °К, так и гексагональную (а-модификация), |
|
которая |
образуется при Т |
2400 °С. Последняя имеет бо |
лее 30 политипных форм, АЕ у которых изменяется от 4,1 эв для формы 2Н до 2,74 эв для 8Н при комнатной температу ре [2—4]. Самой изученной из них является форма 6Н (АЕ = 2,96 эв), так как она получается в наибольших ко личествах при обычно используемом способе выращи вания кристаллов (конденсация из паров; см. [5—8]).
Типичной донорной примесью (обычно неизбежно при сутствующей) является азот с глубиной уровня, завися щей от политипа и равной примерно 0,1 эв для кристал лов 6Н [9]. Акцепторные уровни создают бор (0,39 эв), алюминий (0,29 эв), бериллий (0,4 и 0,6 эв) и другие эле менты [9—12]. Указанные глубины уровней относятся
кобразцам с относительно малым содержанием примеси;
сувеличением ее концентрации энергия ионизации
115
уменьшается [9, 10J. Глубина акцепторов не изменяется при переходе от одного политипа к другому [9].
Присутствие и количество примесей, как обычно, силь но влияет на процессы излучательной рекомбинации. В кристаллах с электронной проводимостью, обусловлен ной азотом, при низких температурах проявляется го лубая полоса свечения с энергией квантов для середины полосы hv = 2,65 эв [13, 14]. Голубая полоса является сложной и связана, по-видимому, как с переходами элек тронов с уровней азота в валентную зону, так и с перехода ми из зоны проводимости на уровни акцепторов [15]. При Т = 300 °К синяя полоса почти потушена, т. е. если тушение внешнее, в кристаллах существуют другие пути для рекомбинации без излучения.
Яркая даже при комнатной температуре люминесцен ция возникает только в том случае, когда в кристаллах одновременно присутствуют доноры и акцепторы. Наиболее интенсивное свечение дают кристаллы с примесями азота и бора [13, 16—19]. Так как в этом случае для образцов всех форм ДЕ — hv ^ 0,9 эв, а глубина уровня бора не изменна (0,4 эв), можно допустить, что излучение возникает при переходе электрона на уровень бора с донорного уров ня глубиной около 0,5 эв [15]. То, что азот способствует образованию центров свечения и в этом случае, следует из отсутствия свечения образцов с бором, в которых азот имеет малую концентрацию [16], и возрастания свечения вместе с увеличением содержания азота вплоть до пример но 3-1018 еж-3, когда наступает концентрационное тушение. Таким образом, донорный уровень 0,5 эв может принад лежать азоту.
В гексагональной решетке 6Н, в которой ближайшие соседи данного атома расположены по вершинам тетраэдра (каждый атом углерода окружен четырьмя атомами крем ния, и наоборот), возможно три различных состояния как для С, так и для Si. В частности три состояния С различа ются расстояниями до ближайшего атома Si вдоль опреде ленного направления (например, гексагональной оси). Если атомы N и В замещают углерод, то им также соот ветствуют три состояния в решетке, которые проявля ются при изучении электронного резонанса [20] и спек тров синего свечения, связанного с азотом [14]. Различия в энергии этих состояний для N составляют около 0,03 эв, поэтому в синей области спектра наблюдается три близкие полосы. Таким же образом растроение уровней акцепто
116