1.2.1. Виды источников излучения. Основные характеристики

Источники излучения могут быть двух основных типов, имеющих различные свойства. Тепловое излучение создается нагретыми телами и его интенсивность и спектральное распределение определяются известной формулой Планка. Из этой формулы следует, что общая энергия, излучаемая телом за 1 с, на всех длинах волн λ, растет пропорционально Т4 (Т—абсолютная температура), а максимум кривых излучательной способности тел φ(λ) при повышении Т сдвигается в сторону меньших длин волн (рис. 1.12, а), причем длина волны, соответствующая этому максимуму, λтах = b2Т-1 , где b2 = 2898 мкм-К для абсолютно черного тела. На интервале от 0, λтах до 3 λтах приходится 90% всего излучения. При Т =2898 К λтах =1 мкм и основная часть излучения находится в инфракрасной области. Энергия квантов, соответствующих данной λ, может быть получена из формулы hν =1,24/ λ (λ выражена в микрометрах, hν — в электрон-вольтах). Значения коэффициента b2 для вольфрама и других металлов несколько ниже (b2 = 2660 мкм-К).

Подпись: Рис. 1.12. Спектр теплового излучения абсолютно черного тела (а)  и спектры люминисценции нескольких полупроводников (б). Штрихами показана область чувствительности кремниевого фотодиода, f(λ) – кривая видности (штрихпунктирная кривая)

Лампы накаливания могут быть сделаны достаточно миниатюрными, но они обладают сравнительно низким к.п.д и большой инерционностью; конструкция ламп включает вакуумный баллон, что плохо согласуется с технологией полупроводниковых схем.

Подпись: Рис. 1.13. Электронные переходы, сопровождающиеся (1 – 5) и не сопровождающиеся излучением света (6 – 9)

В современной оптоэлектронике используют в основном люминесценцию твердых тел (холодное свечение). При люминесценции энергия, необходимая для излучения, может подводиться к телу любым нетепловым способом (облучением фотонами или электронами, действием электрического поля и т. д.). Соответственно различают фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию и другие виды люминесценции. Обычно люминесценция наблюдается при комнатной и более низкой температуре, при которой тепловое излучение очень мало и все видимое излучение является люминесценцией. В общем случае при данной температуре излучение может складываться из теплового и люминесцентного, поэтому, по определению С. И. Вавилова, люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и продолжающееся после прекращения возбуждения в течение времени, превышающего период световой волны (tс 1 • 14-14 с). Обычно эта задержка реакции люминесцирующего вещества (люминофора) на выключение возбуждения значительно больше tс и является характерной для люминесценции, отражая процессы преобразования энергии в люминофоре.

На рис. 1.1 приводилась схема электронных переходов, происходящих при поглощении энергии полупроводником. Практически все обратные переходы, при которых энергия электронов уменьшается, могут сопровождаться излучением в той или иной спектральной области. Используя полупроводники с различной шириной запрещенной зоны и различные примеси, можно получить излучение во всем видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (рис. 1.12, б).

Междузонные переходы 1 (рис. 1.13) наиболее вероятны в материалах с прямыми зонами (см. §1.1). Излучению в видимом участке спектра (0,38—0,78 нм) соответствует ширина запрещенной зоны в пределах 1,6—3,0 эВ. Излучательные переходы с участием примесных уровней (2, 3, 4) возможны в материалах с прямыми и непрямыми зонами. Примеси, дефекты или их комплексы, которые образуют подобные Уровни, называют центрами свечения. На рис. 3.12 соответствующие примеси указаны после формулы основного вещества.

Переход 2 на рис. 1.13 соответствует рекомбинации электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне через промежуточный акцепторный уровень, переход 3 — через донорный (D) и акцепторный (А) уровни, образованны близко расположенными примесями двух типов. Во всех этих случаях в процессе поглощения и излучения энергии участвуют зоны проводимости и валентная, соответствующую люминесценцию называют рекомбинационной. Переход электрона 4 с возбужденного на основной уровень происходит в пределах примесного центра, и соответствующую люминесценцию называют внутрицентровой. Эти два вида люминесценции твердых тел обладают в значительной степени разными характеристиками.

При низких температурах и высоких уровнях возбуждения может проявиться люминесценция, связанная с рекомбинацией через экситонные состояния (переход 5). Энергия испускаемых при этом фотонов близка к ΔЕ.

Кроме примесей, которые создают центры люминесценции (их часто называют активаторами), существуют при меси, которые образуют центры тушения, т. е. рекомбинация через эти центры не сопровождается излучением. В ZnS подобными тушителями являются, например, Fe, Со, Ni. Безызлучательные переходы через уровни центров тушения показаны на рис. 1.13 штриховыми линиями (переход 7).

Вероятность переходов без излучения увеличивается с ростом температуры, и доля излучательных переходов (Р) обычна хорошо следует формуле

(1.13)

в которой L(Т) — яркость излучения при температуре T, а L(0) — при T=О К; с2— постоянная при данной интенсивности возбуждения величина; ET — энергия активации тушения. В случае рекомбинационной люминесценции (например, типа 1 на рис. 1.13) ET имеет смысл энергии, необходимой для заброса валентного электрона на уровень центра рекомбинации. В этой случае число излучательных переходов типа 2 уменьшается а число рекомбинаций без излучения увеличивается.

Подпись: Рис. 1.14. Влияние температуры на внешний квантовый выход люминесценции арсенидгаллиевого диода

Другой возможностью превращения энергий возбуждения не в энергию излучения, а в тепловую энергию, является так называемые Оже-процессы, когда энергия, выделенная при переходе электрона на более низкий уровень (переход 8 на рис. 1.13), передается другому электрону в зоне проводимости который поднимается на более высокий уровень в этой зоне (переход 9). Далее этот электрон опускается на дно зоны проводимости, разменивая свою энергию преимущественно на фононы (при определенных условиях может наблюдаться и слабое излучение, соответствующее внутризонным переходам 6). Вероятность Оже-процессов растет с увеличением концентраций свободных носителей заряда.

Соотношение между числом излучательных и безызлучательных переходов отражается значением внутреннего квантового выхода люминесценции ηк, который является важной характеристикой процесса преобразования подведенной энергии в излучение. В случае электролюминесценции ηк равен числу созданных фотонов, приходящихся на каждый электрон, прошедший через кристалл. Для некоторых видов электролюминесцентных излучателей внутренний выход ηк может приближаться к единице, особенно при низких температурах.

Так как не все фотоны выходят из устройства, излучатель часто характеризуют внешним квантовым выходом ηке = ηк К0, где множитель К0учитывает потери, связанные с отражением и поглощением света. В случае рекомбинационной люминесценции обычно только доля у рекомбинаций происходит в люминесцирующей части образца, а в этой области только доля Р рекомбинаций сопровождается излучением (формула (1.13)), поэтому ηке = NγРК0, где N — число неосновных носителей заряда, появляющихся в результате прохождения через образец одного электрона, т. е. общее число возможных рекомбинаций. Выход ηке уменьшается с ростом температуры (рис. 1.14).

Внешний энергетический выход электролюминесценции (к. п. д.) равен , где hν — энергия фотона; qU— энергия электрона, прошедшего разность потенциалов U, которая приложена к образцу (q- заряд электрона). В общем случае при измерении энергетического выхода надо учитывать ширину полосы люминесценции в спектре и определять его с помощью выражения

(1.14)

Здесь Ф— поток излучения; W — потребляемая мощность; φ(λ) - спектральная плотность потока излучения; λ — длина волны. Интегрирование ведется в пределах спектрального диапазона излучения.

Если излучение регистрируется глазом, то следует учитывать спектральную чувствительность глаза и пользоваться светотехническими единицами. Световая отдача прибора oпpeделяется как

, (1.15)

где ФLсветовой поток в люменах; f(λ) — функция видности, изменяющейся от 0 на краях видимого участка спектра (λ1= 0,38 мкм и λ2 = 0,78 мкм) до 1 при λ = 555нм.

Если излучение воспринимается полупроводниковым фотоприемником, то его спектральная чувствительность должна быть согласована со спектром излучения источника света. Удобным приемником является кремниевый фотодиод, обладающий широкой спектральной чувствительностью (см. рис. 1.12, б).I

Излучение различных центров люминесценции может происходить самопроизвольно и независимо от других центров. В этом случае частота, поляризация и направление распространения света могут быть различными (некогерентное излучение). В других случаях может осуществляться вынужденное излучение, когда излучение одного центра стимулирует излучение другого с той же частотой и поляризацией (когерентное излучение). В оптоэлектронике используют как источники некогерентного излучения (светодиоды, источники на основе порошкообразных и пленочных люминофоров), так и когерентного (лазеры).

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.