2. Спектры возбуждения фотолюминесценции

Экспериментально установлено, что в полупроводниках наиболее распространенным является рекомбинационное свечение. Это значит, что при возбуждении люминесценции образуются ионизованные центры свечения и свободные носители. Рассмотрим механизмы возбуждения рекомбинационной люминесценции.

2.1. Механизмы возбуждения люминесценции

Ионизация центров свечения и образование свободных носителей при фотолюминесценции происходят посредством энергии квантов воз­буждающего света. Для ионизации центров свечения необходимо, чтобы энергия квантов возбуждающего света могла быть передана от места ее поглощения к центрам излучения. В связи с этим, можно выделить несколько способов пе­редачи энергии и соответственно механизмов возбуждения люминесценции.

П редположим, для определенности, что в кристаллофосфоре содержат­ся центры свечения (R), обладающие в исходном состоянии бóльшим сечением захвата для дырок, чем для электронов (рис. 2).

Возбуждение фотолюминесценции светом из области собственного поглощения полупроводника. В этом случае (рис.2,а) энергия квантов возбуждающего света больше или равна ширине запрещенной зоны полупроводника. При этом имеют место электронные переходы 1 из валентной зоны в зону проводимости (зона-зонное возбуждение люминесценции). Свободные дырки, генерированные светом, захватываются на центры свечения, ионизируя их (переходы 2). В дальнейшем возможна излучательная рекомбинация свободных электронов с дырками, локализованными на центрах свечения (переход 3). Спектр зона-зонного возбуждения представляет собой по­лосу, длинноволновый спад которой приходится на край фундаментального поглощения полупроводника. Экстраполируя длинноволновый спад полосы возбуждения люминесценции до пересечения с осью длин волн, можно оценить опти­ческую ширину запрещенной зоны полупроводника.

Возбуждение люминесценции через мелкие уровни(рис.2,b). Предположим, для определенности, что в запрещенной зоне по­лупроводника помимо глубоких уровней R-центров свечения расположены мелкие А-уровни акцепторов.

При освещении кристаллофосфора светом подходящей длины волны происходит ионизация А-центров и образование свободных электронов (переход 1). Поскольку А-уровень мелкий, то наряду с ионизацией со­ответствующих центров, достаточно быстро происходит термический пе­реход 2 локализованных дырок в валентную зону. В дальнейшем свобод­ные дырки, ушедшие с мелких уровней, могут локализоваться на центрах свечения (переход 3), а затем излучательно рекомбинировать со сво­бодными электронами (переход 4). Аналогично может осуществляться возбуждение фотолюминесценции и при наличии мелких донорных D-уровней (переходы 1, 2).

Спектр возбуждения люминесценции через мелкие уровни характе­ризуется полосой, расположенной вблизи длинноволнового края спектра зона-зонного возбуждения. Последнее приводит к тому, что обе полосы могут довольно сильно перекрываться. По спектральному положению мак­симума этой полосы можно определить энергию переходов 1, 1, проис­ходящих под действием возбуждающего света и, зная ширину запрещенной зоны полупроводника, оценить энергетическое положение мелких уровней.

Рассмотренные выше механизмы переноса энергии от места ее погло­щения к центрам свечения, обусловливающие возбуждение фотолюминесцен­ции, называются токовыми, так как они осуществляются посредством электронов и дырок  носителей тока.

Прямое возбуждение центров свечения (рис.2,с). Возбуждающий свет поглощается непосредственно центрами свечения. В результате этого происходит образование свободных электронов, а также ионизация центров свечения (переход 1).

Спектр возбуждения люминесценции при прямом поглощении света центрами свечения характеризуется полосой, локализованной в длинно­волновой области от края фундаментального поглощения полупроводника. По спектральному положению максимума этой полосы возбуждения можно определить энергию оптической ионизации центра свечения (переход 1) и, сравнив ее с энергией излучения (переход 2), оценить величину стоксового смещения.