Lektsii_Fizika_chast_III
.pdfчасти изображения делают полупроводник проводящим, и поверхностный заряд с освещенных участков стекает к внешнему металлическому заземленному электроду.
3)На темных местах полупроводника заряды сохраняются. Пластину посыпают мелким порошком (полимер и зачерненный кварц), затем его стряхивают, и он остается в конечном итоге только на «темных» заряженных местах покрытия.
4)Лист бумаги прижимают к пластинке с помощью валиков.
5)Лист собирает частицы пыли (порошка) и его обрабатывают инфракрасным излучением.
6)Полимерные частицы сплавляются и въедаются в бумагу, получается копия.
7)Для очистки пластины она полностью освещается светом и разряжается, мелкий порошок стряхивается, пластина готова к новому ксерокопированию.
В лазерном принтере лазерный луч, модулируемый акустооптическим модулятором, работающим в соответствии с выводимой из компьютера информацией, сканирует по пластине. С освещенных участков аморфного слоя заряд уходит и далее начинается серия операций, аналогичная рассмотренному ксерокопированию.
Вопросы для повторения
1.Опишите спектры поглощения света в кристаллах.
2.Каковы основные механизмы поглощения света в веществе?
3.Как объясняется явление внутреннего фотоэффекта?
4.С чем связана окраска кристаллов?
5.Что называется фотопроводимостью?
6.Объясните, с чем связано возникновение внутреннего фотоэффекта в p-n–переходе и в МДП-структуре.
7.Какие принципы лежат в основе работы ксерокопировального аппарата?
Литература: [1 – 5, 8 – 10]
140
Лекция № 15
15.1. Люминесценция твёрдых тел
Люминесценция (в переводе с латинского – свет, обладающий слабым действием), согласно определению академика С.И.
Вавилова, представляет собой свечение, избыточное над тепловым излучением тела, если это избыточное излучение продолжается после прекращения возбуждения в течение времени, превышающего период световой волны (tc 10 14с). Первая часть этого определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения тела и позволяет отнести ее к неравновесным процессам. Вторая часть выделяет люминесценцию среди других видов неравновесного излучения, таких как отражение и рассеяние света, тормозное излучение и т.д., которые практически безынерционны.
Твердые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений, получили название люминофоров. Неорганические люминофоры часто называют фосфорами, а в случае, если они имеют кристаллическую структуру – кристаллофосфорами. В зависимости от вида возбуждения люминофора различают: фотолюминесценцию, возникающую в ре-
зультате поглощения света; катодо-, рентгено- и радиолюминес-
ценцию, возбуждаемую соответственно ускоренным потоком электронов, рентгеновским излучением, и частицами, протонами, осколками ядерного деления; электролюминесценцию, вызываемую электрическим полем; хеми- и биолюминесценцию, при которых излучение света сопровождает химическую реакцию.
На рис. 14.1 приводилась схема электронных переходов, происходящих при поглощении энергии в полупроводниках и диэлектриках. Практически все обратные переходы, при которых энергия электронов уменьшается, могут сопровождаться излучением в той или иной спектральной области. Используя полупроводники и диэлектрики с различной шириной запрещенной зоны, и различными точечными дефектами, можно получить люминесценцию во всем видимом, а также ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, рис. 15.1.
141
|
|
|
|
|
7 |
11 12 EC |
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
1 |
2 |
3 |
5 |
6 |
8 |
10 |
L |
|
|
4 |
|
|
|
EV |
|
|
|
|
|
|
||
4 |
6 |
|
|
|
|
5 |
3 |
2 |
2 |
1 |
h |
Рис. 15.1
Основные закономерности излучательной рекомбинации носителей заряда определяются законами сохранения энергии и импульса, поэтому энергия квантов люминесценции может соответствовать разнице энергетических уровней электрона до и после соответствующего излучательного перехода или отличается от нее на энергию рожденных в процессе рекомбинации фононов. Показательной в этом плане является экситонная люминесценция (аннигиляция), которая может быть как бесфононной, когда энергия и импульс экситона полностью передаются фотону, так и многофононной, то есть с одновременным испусканием фононов, рис. 15.1, переход 2. Любопытно, что при многофононном исчезновении экситонов, в спектрах излучения непосредственно проявляется кинетическая энергия экситонов (обычное максвелловское распределение квазичастиц по кинетическим энергиям). Возможна ситуация, когда вся энергия, выделенная при электронных переходах, преобразуется в тепло (образование фононов), такие переходы называются безызлучательными и условно показаны на рис. 15.1 штриховыми линиями. Точечные дефекты, участвующие в таких переходах, называются центрами тушения, точечные дефекты, задающие излучательные переходы – центрами свечения. Если в излучатель-
142
ных переходах участвует хотя бы одна из зон, то соответствующую люминесценцию называют рекомбинационной. Переход электрона 6 на рис. 15.1 с возбужденного на основной уровень происходит в пределах определенного точечного центра свечения, и соответствующую люминесценцию называют внутри-
центровой.
Важной характеристикой люминесценции является спектр излучения, который чаще всего изображается в виде кривых зависимости яркости люминесценции L от энергии квантов h (или от ). Типичный спектр люминесценции, отражающий основные электронные переходы показан на рис. 15.1. Он зависит от типа люминофора и структуры точечных дефектов, интенсивности и длины волны возбуждающего излучения, от температуры образца и ряда других причин, являясь прекрасным датчиком информации.
, L |
|
отн. ед. |
Спектр люминесценции |
1,0 |
Спектр поглощения |
0,8 |
|
0,6
0,4
0,2
1 |
1,4 |
1,8 |
2,2 |
h , эВ |
|
|
Рис. 15.2 |
|
|
Согласно правилу Стокса, максимум в спектре люминесценции смещен по отношению к соответствующему максимуму в спектре поглощения в сторону длинных волн ( с/ ), напри-
мер, рис. 15.2.
Это обстоятельство связано с наличием так называемых «стоксовых» потерь, так как часть поглощаемой люминофором энергии рассеивается в кристаллической решетке, переходя в тепло. Для понимания механизма «стоксовых» потерь полезно рассмотреть модель конфигурационных кривых, рис. 15.3.а.
143
E |
|
|
F |
2 |
L/L0 |
||||||||
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ET |
|
|
|
C B |
|
|
|
|
|
ZnS:Ag,Co |
|||
|
|
|
|
|
|
1 |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
D A |
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
r0* r0 |
r |
100 200 300 400 T, К |
|||||||
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
б) |
||||
Рис. 15.3
Конфигурационные кривые представляют собой зависимость потенциальной энергии основного 1 и возбужденного 2 уровней иона примеси (расположенных в запрещенной зоне кристалла) от конфигурационной координаты r. Конфигурационная координата соответствует расстоянию данного иона от окружающих его ионов решетки, которое меняется при переходе электрона с основного на возбужденный энергетический уровень центра.
Этим объясняется, что средняя энергия излучаемых фотонов (CD) меньше средней энергии (AB) поглощаемых фотонов.
Температурная зависимость яркости люминесценции (рис. 15.3.б) хорошо описывается формулой (L0 – яркость при T 0 K):
L(T) L0[1 const exp( |
ET |
)] 1, |
(15.1) |
|
kT |
||||
|
|
|
которая соответствует следующей зависимости квантового выхода процесса излучения И (отношение числа испущенных фотонов к числу созданных за это же время в результате возбуждения носителей заряда или электронно-дырочных пар):
И |
RИ |
|
1 |
|
|
, |
(15.2) |
R R |
1 const exp( |
E |
|||||
|
И Б |
|
T |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
kT |
|
|
|
где RИ и RБ – скорости соответственно излучательной и безызлучательной рекомбинации.
144
В случае рекомбинационной люминесценции причиной возникновения температурного тушения может быть, например, тепловой заброс электронов из валентной зоны на уровни центров свечения (переход обратный переходу 4 на рис. 15.1). Этот переход приводит к уменьшению числа рекомбинаций на этих центрах (переход 3 на рис. 15.1) и, соответственно, к увеличению числа безызлучательных переходов через другие уровни
(внешнее тушение). Возможно и внутреннее тушение, когда внутри центра свечения электрон после возбуждения (переход АВ; рис. 15.3.а) может вернуться на основной уровень не только излучательным путем СD, но и через точку F с последующим этапом FA, при котором происходит уменьшение энергии электрона вследствие генерации фононов.
При внутрицентровом тушении величина ЕT в формулах 15.1 и 15.2 имеет смысл энергетического расстояния от точки С до точки F на рис. 15.3, при внешнем тушении обычно представляет собой энергетическое расстояние от уровня центра свечения до зоны, взаимодействие с которой приводит к тушению.
Послесвечение
Вследствие конечной длительности пребывания системы в возбужденном состоянии люминесценция не исчезает мгновенно после прекращения возбуждения, а затухает с определенной скоростью, задавая так называемое послесвечение. Кроме того, энергетическое положение и конфигурация точечных дефектов могут оказаться такими, что свободные носители, захваченные ловушками, сохраняются на них длительное время (например, переход 11 на рис 15.1). Освобожденные через некоторое время (переход 12) эти носители могут участвовать в излучательной рекомбинации с центрами свечения, что создает послесвечение люминофора (послесвечение экрана телевизора или дисплея). В зависимости от механизма люминесценции время послесвечения может измеряться в пикосекундах или длиться часами.
Термовысвечивание
Стимулировать процесс освобождения захваченных носителей заряда из ловушек может повышение температуры кристал-
145
ла. Начинающееся при определенной температуре свечение образца, вызванное рекомбинацией освобожденных носителей, называется термовысвечиванием. Для его появления всегда необходимо предварительное возбуждение образца (светом, элек -, -, - излучением и т.п.) при более низких температурах, способствующих захвату и сохранению избыточных носителей на ловушках.
Запасание определенной светосуммы, зависящей от уровня предварительного возбуждения кристалла, лежит в основе работы термолюминесцентных дозиметров ионизирующего излучения и разнообразных ячеек памяти. В последнем случае освобождение ловушек часто проводят светом или электрическим полем. Термовысвечивание природных люминофоров используют для анализа разнообразных событий в археологии.
Спектральный состав люминесценции (её механизм) может существенным образом зависеть от уровня и частоты возбуждающего сигнала, что лежит в основе управления различными процессами или, наоборот, является вредным фактором при применении люминесцентных приборов.
15.2. Спонтанное и вынужденное излучение. Светодиод. Твёрдотельные лазеры
Поглощение и спонтанное излучение света кристаллами мы уже рассматривали ранее. Для получения вынужденного излучения необходима инверсия населенности энергетических уровней системы. Такая система может работать как усилитель или при введении положительной обратной связи, как оптический квантовый генератор (лазер). Вспомните рассмотрение этой темы в прошлом семестре, которую мы иллюстрировали рис. 15.4 и закончили изучением принципов работы газового (He Ne) лазера.
Исторически созданию газового лазера предшествовала разработка твердотельного лазера на рубине (Al2O3) с примесью (примерно 0,05 %) ионов хрома, замещающих атомы Al и создающих систему энергетических уровней в пределах широкой (около 6 эВ) запрещенной зоны рубина (Т. Мейман, 1960).
146
|
Зеркала |
E2 |
Лазерное |
|
излучение |
ФВХ h 12 |
ФВЫХ |
E1 |
|
Источник |
Источник |
накачки |
накачки |
а) |
б) |
Рис. 15.4
Известный красный цвет рубина вызван наличием сильного поглощения синего и зеленого света, который и используется для накачки среды (рис. 15.5.) путем перевода электронов с основного уровня Е1 на возбужденные уровни Е3 и Е4 ионов хрома, образующие две широкие полосы, рис. 15.5. Примерно через
10 8 с эти электроны безызлуча-
|
E4 |
тельно падают на метастабиль- |
|
||
|
||
|
|
ные уровни Е2 (выделяется теп- |
|
|
ло), на которых они могут нахо- |
|
E3 |
диться около 10 3 с. Накопление |
|
||
|
||
|
электронов на уровнях Е2 приво- |
|
|
|
|
|
E2 |
дит к созданию инверсии насе- |
|
ленности этих уровней по отно- |
|
|
|
|
h |
шению к уровням Е1. В результа- |
|
|
|
те спонтанный квант с энергией |
|
E1 |
h E2 |
E1 вызывает вынужден- |
|
|||
|
|
||
Рис. 15.5 |
|
ные переходы электронов с уров- |
|
|
ней Е2 |
на уровни Е1 (красный |
|
|
|
||
свет с 630 нм). Для получения лазера кристалл рубина изготавливают в виде цилиндра диаметром около 1 см и длиной 10 см, торцы которого отшлифованы и служат зеркалами. К.п.д. таких лазеров составляет несколько процентов.
147
В настоящее время в оптоэлектронике преобладают более миниатюрные и эффективные полупроводниковые инжекционные лазеры, которые представляют собой модифицированный вариант светодиодов.
Светодиоды и инжекционные лазеры
Светодиод представляет собой специально подобранный p- n–переход, включенный в прямом (реже – в запирающем) направлении, рис. 15.6.
В таком переходе, из-за сильной инжекции электронов в p- область и дырок в n-область, происходит рекомбинация носителей заряда, как в области объемного заряда, так и за ней на рас-
стоянии диффузионных |
длин электронов (L1) и дырок (L2): |
|||||||||
p |
|
n |
|
|
напомним, что диффузи- |
|||||
|
|
онной длиной называется |
||||||||
|
|
|
|
|
||||||
h |
|
|
|
EC |
расстояние, |
на |
котором |
|||
|
|
|
концентрация |
носителей |
||||||
|
|
|
|
EF |
||||||
|
|
|
|
уменьшается в е раз. Для |
||||||
Ea |
|
|
|
Ed |
||||||
|
|
|
получения |
излучения в |
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
EV |
полупроводник |
|
вводят |
|||
|
|
|
|
центры свечения, |
обычно |
|||||
L1 |
d |
L2 |
|
|
||||||
|
|
излучающей является |
од- |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
Рис. 15.6 |
|
|
|
на |
из |
сторон |
|
p-n– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
перехода. |
Большое |
рас- |
|||
пространение получили зеленые светодиоды из GaP с примесью азота и красные GaP: Zn,O, обладающие яркостью 50 – 100 кд/м2 и работающие при прямом напряжении 3 – 5 В.
Для изготовления инжекционных лазеров в светодиодах осуществляют мощное впрыскивание электронов и дырок, способное создать инверсию населенности энергетических уровней, а противоположные грани образца приготавливают в виде зеркал.
Большой вклад в развитие техники инжекционных лазеров внёс российский лауреат Нобелевской премии Ж.И. Алфёров.
В качестве некогерентных источников света в оптоэлектронике (термин, введенный в 1960-х годах, когда появились оптроны, в которых для создания надежных гальванических развязок между электронными цепями, использовались пары: све-
148
тодиод-приемник излучения) обычно используют светодиоды, когерентными источниками излучения служат инжекционные лазеры. С твердотельными лазерами мы постоянно сталкиваемся в нашей университетской жизни, это – лазерная указка преподавателя, лазерный принтер, компакт-диски в компьютере и т. д. Оптрон можно увидеть, открыв крышку управляющей «мышки» компьютера.
15.3. Оптические системы передачи и отображения информации
Оптические системы передачи и отображения информации прочно вошли в жизнь современного общества, а их многообразие служит основой большого количества учебных пособий и монографий, специально посвященных данной проблеме. Не останавливаясь на деталях, следует подчеркнуть, что в основе большинства оптоэлектронных систем передачи, обработки и отображения информации лежат те физические явления в твердых телах, которые были рассмотрены в этом курсе, а также в прошлом семестре, когда мы изучали световоды, жидкие кристаллы, интерференцию, дифракцию и поляризацию света, искусственную анизотропию кристаллов, методы модуляции электромагнитного излучения, оптические транспаранты и т.д.
Более подробную информацию можно найти в литературе
[10].
Вопросы для повторения
1.Дайте определение люминесценции.
2.Опишите основные механизмы люминесценции и вид спектра при люминесценции.
3.Чем внутрицентровая люминесценция отличается от рекомбинационной?
4.Каково влияние температуры на люминесценцию кристаллов?
5.Поясните смысл правила Стокса.
6.Опишите механизм послесвечения кристаллов.
149