Межзонного поглощения

При межзонной рекомбинации происходит переход электрона из зоны проводимости непосредственно на свободный уровень валентной зоны. При таком переходе освобождается энергия, примерно равная ширине запрещенной зоны, которая может выделяться в виде кванта излучения (фотона) или превращаться в энергию тепловых колебаний решетки (фононов). В соответствии с этим различают и з л у ч а-тельную и фононную межзонную рекомбинацию. Вероятность межзонной рекомбинации очень мала, более вероятны переходы носителей заряда через локальные уровни, расположенные в запрещенной зоне.

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости ( 9.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости — заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной

Межзонная, или непосредственная, рекомбинация происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда — свободного электрона и дырки. Однако такой процесс межзонной рекомбинации маловероятен, так как свободный электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте крис-

талла. Кроме того, должен выполняться закон сохранения импульса, т. е. рекомбинация электрона и дырки возможна только при одинаковых, но противоположно направленных импульсах электрона и дырки. Поэтому, например, в германии на 10 тыс. рекомбинаций лишь одна происходит в результате межзонной рекомбинации.

Излучение квантов света ил полупроводника может происходить в результате перехода электрона на более низкий энергетический уровень при межзонной рекомбинации или при рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек (см. 1.3).

Межзонная рекомбинация. Этот вид рекомбинации наблюдается при переходе электрона из свободного в связанное (валентное) состояние. На энергетической диаграмме это может быть показано как переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (переход,? на 9-9, а). При таком переходе, естественно, должна выделиться энергия, равная ширине запрещенной зоны. При межзонной рекомбинации энергия может выделяться в виде фотонов (излучателъная рекомбинация) или же .в виде фононов (рекомбинация безызлучателъная). Характер межзонной рекомбинации во

Механизмы рекомбинации. При рекомбинации происходит переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с выделением энергии, равной ширине запрещенной зоны. Такой переход может происходить как непосредственно из зоны проводимости сразу в валентную зону ( 1.16,а), так и в несколько стадий через центры рекомбинации (ловушки, 1.16,6). Первый случай соответствует непосредственной (межзонной) рекомбинации, которая совершается при встрече и взаимодействии электрона и дырки. Второй случай соответствует ступенчатой рекомбинации через ловушки. Электрон встречается с ловушкой, захватывается ею и исчезает как подвижный носитель, переходя на уровень ловушки ( 1.16,6, стадия /). Если с такой заполненной ловушкой встречается дырка, то происходит захват дырки •— это соответствует переходу электрона с уровня ловушки в валентную зону ( 1.16,6, стадия 2).

наличии ловушек, уменьшается приблизительно на A?3/2 по сравнению с энергией, выделяемой при межзонной рекомбинации. По сравнению со средней энергией фононов это уменьшение очень значительно, поэтому число фононов с энергиями Д?3/2 на много порядков больше числа фононов с энергией A?3 (приблизительно в ехр[Д?3/(2?Г)] раз).

При собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. Этот процесс генерации свободных носителей обратен межзонной рекомбинации (см. § 1.6). Для перевода электрона в зону проводимости необходимо, чтобы энергия фотона превышала ширину запрещенной зоны, т. е. ?ф = /1У^Д?'з. На частотах излучения v
Межзонная рекомбинация. Этот вид рекомбинации наблюдается при переходе электрона из свободного в связанное (валентное) состояние. На энергетической диаграмме это может быть показано как переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (переход,? на 9-9, а). При таком переходе, естественно, должна выделиться энергия, равная ширине запрещенной зоны. При межзонной рекомбинации энергия может выделяться в виде фотонов (излучателъная рекомбинация) или же .в виде фононов (рекомбинация безызлучателъная). Характер межзонной рекомбинации во

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости ( 8.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости — заполненные состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-л-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией. Фо-

В гл. 1 дан краткий исторический обзор исследований, выполненных в Японии в области аморфных полупроводников и приборов на их основе. Гл. 2 содержит статьи, посвященные вопросам физики электронных явлений в аморфных полупроводниках. Дан краткий обзор теории электронных свойств аморфных полупроводников с тетраэд-рическими координациями связей, описаны качественные особенности спектров межзонного поглощения и родственных явлений в аморфных полупроводниках. Основное внимание уделено решеточной релаксации правилам fc-отбора, хвостам Урбаха, межзонным корреляциям флуктуации потенциала и фотостимулированным изменениям структуры. Приведен обзор исследований структуры связей в аморфном кремнии a-Si и родственных материалах. Результаты этих исследований проливают свет на локальные особенности структуры сеток a-Si, такие как координационное число атомов в a-Si:H, a-SixGe!_x: H, атомная структура a-SijCi-x: Н, a- Si:F, структурные позиции накопленных в a-Si:H атомов инертных газов. Обсуждаются также попытки создания теории влияния взаимодействия отдаленных один от другого атомов на структуру связей в аморфных полупроводниках. В последней статье описываются явления переноса в аморфном гидрогенизированном кремнии. Показано, что перенос носителей заряда в a-Si: Н имеет дисперсионный характер. Подчеркивается, что теоретический анализ переноса электронов в пленках a-Si: Н необходимо проводить с учетом влияния флуктуации состава и структурного порядка.

В работах [16-18] проведен расчет спектра межзонного поглощения в системах с беспорядком размещения. Для расчета экспоненциально спадающих хвостов вблизи края собственного поглощения (хвостов Урбаха) в рамках модели беспорядка размещения проводится учет нормально распределенных смещений атомов из положения равновесия. Тот факт, что результаты расчета хорошо объясняют экспериментальные данные, показывает, что динамические тепловые смещения атомов из положения равновесия приводят в системах с беспорядком размещения к тем же эффектам, что и неупорядоченность статического типа. Поэтому в дальнейшем следует учитывать влияние параметров нормального распределения Гаусса.

С теоретических позиций дан обзор качественных особенностей спектров межзонного поглощения и родственных явлений в аморфных полупроводниках. Основное внимание уделяется решеточной релаксации, правилам А: -отбора, хвостам Урбаха, межзонным корреляциям флуктуации потенциала и фотостимулирован-ным изменением структуры.

При температуре абсолютного нуля спектры межзонного поглощения не зависят от электронного спектра и определяются суммарной скоростью дипольных переходов между- начальными и конечными состояниями электронов:

Данный метод применен к оптическим переходам. Сила осциллятора (квадрат матричного элемента) М(ЕГ, Е2) определена как сила осциллирующего перехода электрона с типичного уровня Е2 в валентной зоне на типичный уровень ?, в зоне проводимости [17,27]. Фактически, определенная таким образом величина является усредненной и есть не что иное, как "удельная средняя сила осциллятора, приходящаяся на одно начальное и одно конечное состояния". Выражение для спектра межзонного поглощения в этом случае можно записать так:

Дадим краткий обзор экспериментальных данных по спектрам оптического межзонного поглощения в аморфных полупроводниках. Более подробно читатель может познакомиться с этим вопросом в работах [22, 28-30].

2.2.3. Спектр межзонного поглощения, рассчитанный для В? = 2, BV= 1, прямозонных переходов н у = 0. На оси ординат отложен квадратный корень поглощенной интенсивности

2.2.6. Спектр межзонного поглощения, рассчитанный для Вс = 2, Д„ = 1, пря-мозонных переходов, W = 0,4 для различных значений у (см. цифры у кривых). Кривые, полученные для у = 1, 0 и -1 соответствуют 2.2.5, а, 2.2.2. и 2.2.5, б. Кривые построены в линейном (а) и логарифмическом (б) масштабах [17]

Теория спектров межзонного поглощения разработана [16-17] в рамках приближения когерентного потенциала. На 2.2.7 показаны результаты расчетов спектров вблизи края, проведенных для различ-

2.2.7. Расчетные кривые спектра межзонного поглощения (изображенного на 2.2.3), построенные в полулогарифмических координатах

" межзонного поглощения 37 Фототок 68, 137 Фоточувствительность 364