Прямые и непрямые переходы

Излучательная рекомбинация

Различают безизлучательную и излучательную рекомбинацию (см. «Введение» п.2). Излучательная рекомбинация, в свою очередь, делится на спонтанную (самопроизвольную) и индуцированную (вынужденную).

При спонтанной рекомбинации электрон самопроизвольно переходит из зоны проводимости на свободные уровни (дырки) в валентной зоне, выделяя часть своей энергии в виде кванта света, фотона с энергией Ефот = hν = En – Ep, где h – постоянная Планка; ν – частота света; Еn и Ер – энергия рекомбинирующих электрона и дырки.

Индуцированная рекомбинация происходит под действием света. Электрон проводимости переходит в валентную зону не самопроизвольно, а вынужденно, если его «подтолкнет» фотон с энергией hν, достаточно близкий к разности En – Ep. При этом будет излучен вторич-ный фотон, который принципиально ничем не отличается от фотона, вызвавшего рекомбинацию. Они имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Это означает, что в полупроводнике при определенных условиях возможно усиление света.

Для некоторых полупроводников вершины парабол, описывающих энергию электрона в зоне проводимости и в валентной зоне от его импульса, расположены точно одна под другой, уравнения (В.2) и (В.3). Та-кие полупроводники называются прямозонными (рис.4.3.а). У других полупрводников вершины парабол сдвинуты по оси импульсов относительно друг друга – это непрямозонные полупроводники (рис.4.3.б).

При рекомбинации электрона и дырки должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. При излучательной рекомбинации разность энергий излучается в виде фотона. Из-за крайне малой массы фотона с этим практически не связано изменение импульса, т.е. рекомбинируют электрон и дырка с одинаковыми импульсами. Такой переход электрона проводимости в валентную зону называется прямым и изображается вертикальной линией. (рис.4.3.а). Ясно, что такой переход может происходить только в прямозонных полупроводниках.

В непрямозонных полупроводниках при излучательной рекомбинации кроме фотона возникает или поглощается фонон (см. «Введение» п.6), который компенсирует разницу импульсов электрона и дырки. Такой переход называется непрямым и изображается наклонной линией (рис.4.3.б).

Следует еще раз отметить, что излучательная рекомбинация в непрямозонных полупроводниках происходит с участием четырех частиц: электрона, дырки, фотона и фонона. Поэтому вероятность такого процесса существенно меньше, чем в прямозонных полупроводниках, где рекомбинация происходит при участии электрона, дырки и фотона.

Дата добавления: 2015-06-26