Излучательной рекомбинации

Недостатком длинноволновой радиолинии является плохая излучательная способность антенн. Так как сопротивление излучения антенны невелико, для получения необходимой мощности излучения требуется создание в ней очень больших токов. Сопротивление же потерь в антенне (и заземлении) оказывается больше сопротивления излучения. Это приводит к тому, что большая часть подведенной энергии не излучается, а переходит в теплоту (низкий к. п. д. антенны).

Сложнее представляется случай согласования пирометра с объектом, когда влияние мешающих факторов вызывает случайную погрешность, например случайное изменение излучательной способности объекта или поглощающих свойств промежуточной среды. Измерение температуры таких объектов является сложной задачей и требует проведения специальных исследований. При выборе типа пирометра следует принимать во внимание не только его температурный диапазон, показатель визирования, значение допустимой погрешности, быстродействие, но и учитывать также спектральный диапазон пирометра и выбирать такие пирометры, спектральный диапазон которых соответствует наиболее сильным излучательным свойствам объекта и в то же время наименьшему поглощению промежуточной средой. Следует иметь в виду, что излучательная способность объекта измерения зависит не только от материала, но и от геометрии объекта, его шероховатости, химического состава, температуры, наличия окисных пленок и т. д.

Сложнее представляется случай согласования пирометра с объектом, когда влияние мешающих факторов вызывает случайную погрешность, например случайное изменение излучательной способности объекта или поглощающих свойств промежуточной среды. Измерение температуры таких объектов является сложной задачей и требует проведения специальных исследований. При выборе типа пирометра следует принимать во внимание не только его температурный диапазон, показатель визирования, значение допустимой погрешности, быстродействие, но и учитывать также спектральный диапазон пирометра и выбирать такие пирометры, спектральный диапазон которых соответствует наиболее сильным излучательным свойствам объекта и в то же время наименьшему поглощению промежуточной средой. Следует иметь в виду, что излучательная способность объекта измерения зависит не только от материала, но и от геометрии объекта, его шероховатости, химического состава, температуры, наличия окисных пленок и т. д.

где Т — температура тела, К: Г=^+273; cs=5,7 Вт/(м2-•К4)—излучательная способность абсолютно черного тела.

Для любого нечерного тела излучательная способность будет меньше; в общем случае она зависит от длины волны излучения. Для «серых» тел, не имеющих блестящей полированной поверхности и диффузно отражающих лучистую энергию, излучательная способность одинакова во всем диапазоне длин волн.

приведенная излучательная способность; cs=5,7 Вт/(м2Х ХК4) — излучательная способность абсолютно черного тела; ен, еизд — коэффициенты теплового излучения нагревателя и изделия (см. табл. 1.2).

Абсолютно черное тело обладает максимальной способностью излучения, и основные законы излучения выведены для него. Излучательная способность других тел сравнивается с излучательной способностью абсолютно черного тела как эталоном.

где Н^ =2лЛс2/[^5 I e ^ ' —ly]—излучательная способность абсолютно черного тела [8].

Абсолютно черное тело обладает максимальной способностью излучения, и основные законы излучения выведены для него, Излучательная способность других тел сравнивается с излучательной способностью абсолютно черного тела как эталоном.

где 8' = еб — излучательная способность материала капли

Однако подобный анализ справедлив лишь для черного тела, ибо только оно дает сплошной спектр излучения. Для реальных тел нужно учитывать, что излучательная способность зависит от длины волны. При данной температуре длина волны, соответствующая максимуму излучения (для абсолютно черного тела), может быть найдена из (6.18). Если реальное тело при этой темепратуре обладает чрезвычайно низкой излучательной способностью, оно будет разогреваться все сильнее и сильнее (условно предполагаем, что теплота никуда не отводится), пока его температура не возрастет настолько, что длины волн, соответствующие максимуму интенсивности излучения, сместятся в ту область спектра, где излучательная способность тела будет высокой. Существуют ли такие материалы?

Рекомбинация избыточных электронно-дырочных пар сопровождается выделением энергии — при переходе электрона, например, из зоны проводимости в валентную зону выделяется энергия, равная ширине запрещенной зоны &3. Эта энергия может выделяться либо в виде кванта света — излучательная рекомбинация, либо в виде тепловой энергии, отдаваемой атомам кристаллической решетки, — безызлуча-тельная рекомбинация. Излучение, возникающее при излучательной рекомбинации избыточных носителей, созданных электрическим полем (или током, например инжекцией) называют электролюминесценцией. Электролюминесценция эффективна в сложных полупроводниках (арсениде и фосфиде галлия, тройных полупроводниковых соединениях и др.), в элементарных полупроводниках (кремний, германий) она проявляется слабо.

лей заряда расширяется и эффективность излучательной рекомбинации возрастает, приближаясь к своему объемному значению. Таким образом, эффективность излучательной рекомбинации зависит от длины волны возбуждающего света. В основе данного метода измерения диффузионной длины лежит спектральная зависимость эффективности фотолюминесценции.

Полная скорость излучательной рекомбинации

где ^ — скорость излучательной рекомбинации в термодинамически равновесном состоянии; бр — избыточная концентрация дырок (электронов) ; nt — собственная .-концентрация носителей; п0 и ро — начальная концентрация неравновесных инжектированных носителей.

Спектр излучаемого электролюминесцентным порошковым излучателем света характеризуют длиной волны, соответствующей максимуму спектральной характеристики излучения. Эта длина волны зависит от разности энергий уровней, между которыми происходит переход электронов при излучательной рекомбинации.

Для работы лазера необходимо преобладание вынужденной излучательной рекомбинации над поглощением квантов света. Преобладание излучения над поглощением или поглощения над излучением зависит от соотношения в кристалле полупроводника возбужденных и невозбужденных атомов, т. е. от населенности энергетических уровней полупроводника. В равновесных условиях на более высоких энергетических уровнях при любой температуре полупроводника число электронов меньше, чем на более низких энергетических уровнях. При этом нельзя получить усиле-

В полупроводниковом лазере наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие механизмы рекомбинации, которые не дают излучения (безызлучательная рекомбинация). К таким механизмам относят рекомбинацию на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударную Оже-рекомбинацию и др. В случае безызлу-чательной рекомбинации свободного носителя происходит выделение фотона с очень малой энергией. Для генерации когерентного полезного излучения такой носитель потерян. Очевидно, что эффективность лазера тем выше, чем больше доля актов излучательной рекомбинации по сравнению с безызлучателыгой.

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяют арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC, трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAsi~xPx, где O^x^l, и ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений. Использование этих материалов позволяет создать светодио-ды, работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Коэффициент полезного действия рассматриваемых приборов в основном зависит от внутреннего квантового выхода т]ф, который равен отношению числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей. Вероятность излучательной рекомбинации, определяющая внутренний квантовый выход, непосредственно связана с видом переходов в используемом полупроводнике (см. § 1.6). Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми переходами во много раз больше, чем с непрямыми.

чивается от 1,42 до 1,98 эВ. В светодиодах на основе таких материалов преобладают прямые переходы (кривая / на 7.33). Дальнейшее увеличение содержания фосфора приводит к непрямым переходам (кривая 2), что вызывает уменьшение вероятности межзонной излучательной рекомбинации и соответственно внутреннего квантового выхода (кривая 7 на 7.34).

Для увеличения эффективности излучательной рекомбинации в фосфид арсенида галлия, так же как и в фосфид галлия, вводят примеси. Влияние азота на внешнюю квантовую эффективность т)ф проиллюстрировано на 7.34. Внешняя квантовая эффективность т)ф — это отношение числа фотонов, излученных светодиодом, к числу носителей заряда, протекающих через его электрический переход.

Выделение энергии при межзонной рекомбинации может происходить или в форме кванта света hv, или в виде тепла (фононов). В первом случае рекомбинацию называют излучательной, во втором случае — безызлучательной. Как показывает расчет и эксперимент, межзонная излучательная рекомбинация может иметь существенное значение для полупроводников с узкой запрещенной зоной яри относительно высоких температурах (комнатной и выше). Для полупроводников же с широкой запрещенной зоной основным механизмом, ответственным за рекомбинацию, является безызлуча-тельная рекомбинация через примесные уровни. Однако при некоторых условиях и в таких полупроводниках можно достичь относительно высокого уровня излучательной рекомбинации. Как видно из (6.47) и (6.50), этому способствует, в частности, повышение концентрации избыточных носителей в полупроводнике и увели-•чение степени его легирования.